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摘 要

PID控制器因其结构简单、容易实现工业化且用途广泛，是控制系统中最为常见的一种普通反馈回路补件，经常可以在各类器件中发现它的踪迹。本设计较为详细地介绍了PID的原理以及一些参数设置方法，并通过MATLAB软件仿真一个温控系统的PID控制器，比较了在有无干扰信号时所得响应曲线的抗干扰性。由仿真结果比较可得，在加入干扰信号后，PID控制能较好的抑制干扰，并能很快恢复到目标值。

关键词：PID控制器，参数设置，MATLAB，温控系统

Abstract: Because of its simple structure, easy industrialization and wide application, the PID controller is the most common feedback loop patch in the control system. It can often be found in various devices. This design introduces the principle of PID and some parameter setting methods in detail, and simulates a PID controller of temperature control system by MATLAB software, and compares the anti-interference ability of response curve with or without interference signal. The simulation results show that the PID control can suppress the interference better and recover to the target value quickly after adding the interference signal.

Keyword：PID controller, parameter setting methods, MATLAB, temperature control system

目 录

1 引言 4

1.1 课题研究背景 4

1.2 PID控制器研究现状 4

2 控制系统概述及PID调节基本方式 6

2.1 PID控制器简介 6

2.2 控制系统基本组成 8

2.3 PID控制方式 8

2.4 比例、积分、微分三种形式 9

3 被控对象以及控制策略 11

3.1 系统辨识 11

3.2 控制对象 12

3.3 控制策略 13

4 PID参数调整法 14

4.1 PID调整方式 14

4.2 PID参数整定 14

4.3 系统辨识法 18

4.4 波德图法及根轨迹法 19

5 仿真结果及分析 19

结论 24

参考文献 25

致谢 26

1 引言

1.1 课题研究背景

PID控制是一种最为常见的一种普通反馈回路补件，在机电控制系统的一般设计中被称为生产过程中的一种简易闭环控制方法。它是由比例单元P、积分单元I以及微分单元D三个部分构成。PID控制不仅在工业控制中应用广泛，原理简单易于理解且具有较强的实用性和鲁棒性，很容易被设定成系统所需要的参数。与此同时，今天的闭环自动化技术主要是基于反馈的概念，利用反馈概念改善系统的波动性，从而提高系统的稳定性^[1]。反馈理论的元件由三个部分组成：测量、比较以及执行。

1.2 PID控制器研究现状

针对PID控制器项目的研究，世界各地研究者大多都认为参数的控制问题是最为重要的，国内外多篇文章都侧重于研究如何更好地控制系统参数，而其中大多文章则具体描述了工业控制的现状，例如1989年日本电子测量仪器制造商协会对过程控制系统的调查。报告显示，超过90％的控制回路是PID结构，从中PID控制器的重要性可见一斑。而加拿大造纸厂的例子则更加验证这一点，对于一般典型的造纸厂里大约有超过2000个控制回路，而在这其中PID控制则占比超过97％，然而在这众多的控制回路却大约只有20％的控制回路工作令人满意。而不正确的参数设置则占控制回路一般性能不佳的30％。另外20％的控制器性能由于系统各类原因而难以使用^[2]。通过国内外研究者发表的调查报告来看，传感器问题和错误的采样频率选择是影响控制器性能的主要问题。除此之外，滤波器也是影响性能的关键之一。具体情况可以从Ender的统计结果中了解到结果：如今已安装在工业控制中的全部装置，手动状态的装置大约有30％，20％的电路由制造商提前将参数设定好，而大约有30％的控制回路都会存在阀门和传感器问题。从诸多统计结果可以得到参数设定在PID控制器研究中的重要性。

PID参数的整定方法由齐格勒-尼科尔斯提出以来，它被施加到PID控制器的许多方面，如手动和自动调谐^[3]。PID参数调谐可以根据不同的方面被分成许多类别，例如按照它的发展阶段可以划分为三个类别，如下表1-1所示：

表1-1 PID参数整定方法

PID参数整定依据	PID参数整定方法
发展阶段	整定方法	智能整定方法
被控对象的数量	单变量PID参数整定方法	多变量PID参数整定方法
控制量的组合	线性PID参数优化方法	非线性PID参数优化方法

从上表1-1可以清楚的了解到参数整定的诸多方法，而不同的方法使用的对象不相同，使用的范围也不相同。例如，线性PID参数优化方法主要用于经典PID调节器，而非线性PID参数优化方法主要应用在非线性跟踪；又如单变量的PID参数调整方法包含了现存的大部分整定方法，而多变量的PID参数调整方法因其复杂性以及难控性则是目前科学研究中的热点和难点。

如今PID控制器产品充斥在各类随处可见的器件中，具有巨大的投资潜能，所以国内外的大多研究者也都将目光放在PID控制器性能的改良上^[4]。而从目前国内外对于PID参数设定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面可能成为未来研究和实践的重点，如下表1-2所示：

表1-2 PID参数设定方法研究和实践的重点

重点一	对于单输入单输出控制对象，有必要研究不稳定对象的PID参数设置方法或受控过程中大的扰动，从而进一步提高初始化，鲁棒性以及抗干扰能力，尝试使用最少的流程信息和简单的操作进行调整。
重点二	对于多输入多控制对象，有必要研究具有显著耦合的多变量过程的多变量PID参数设置方法，进一步改进分散式中继反馈方法，并减少所需的验证信息，尽可能地使在线设置变得简单。
重点三	需要进一步研究PID控制技术，将自适应，自校正和增益规划有机地结合起来，使其具有自动诊断功能。通过结合专家系统思想和方法，如专家经验知识和直观推理逻辑，改进了原始PID控制的设计思想和调整方法。智能PID控制的发展方向是将预测控制，模糊控制和PID控制相结合，进一步提高控制系统的性能。

PID控制器原理简单易于实现，在如今的工业控制中大约有95%以上的回路系统都采用PID控制器结构，并且不需要精准的模型构建就可以实现工业化，所以它在化工、电力、冶金等诸多工业控制领域都有着广泛的应用。然而，随着现代科技的迅速发展，大型现代化高阶、时滞、非线性工业控制过程的出现，PID参数整定成为困扰工程技术人员的一个重大难题，它直接关系到控制系统的稳定性、速度和精度。上述研究的三个重点未来可能会成为快速准确地设置PID的三个参数的关键，合理利用参考文献并有针对性研究如何有效快速地控制PID参数，从而达到改良PID控制器的目的^[5]。

2 控制系统概述及PID调节基本方式

2.1 PID控制器简介

反馈理论的概念主要侧重于三个方面，分别是：测量、比较以及执行。如何进行正确的测试和比较,它的关键是如何将测得的实际值与预期值进行比较，并使用所生成的误差来纠正调节控制系统的响应，因此产生更好的控制器来适应社会步伐^[6]。

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