论文总字数：19011字

目 录

摘要 I

1 绪论 1

1.1 PID控制器研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容 1

2 PID控制器的参数整定 3

2.1 PID控制器原理 3

2.1.1 比例调节 3

2.1.2 积分调节 4

2.1.3 微分调节 4

2.2 PID控制器参数整定方法 4

2.2.1 Z-N整定方法 4

2.2.2 临界比例度法 5

2.2.3 衰减曲线法 5

2.2.4 C-C整定法 5

2.3 仿真对比分析 6

2.3.1 Z-N整定方法仿真 6

2.3.2 临界比例度法仿真 7

2.3.3 衰减曲线法仿真 8

2.3.4 C-C整定法仿真 9

2.4 小结 10

3 模糊PID控制器的研究 11

3.1 模糊控制的基本概念 11

3.1.1 模糊集理论 11

3.1.2 模糊语言变量 12

3.1.3 模糊逻辑推理 13

3.2 模糊控制器的原理和组成 13

3.2.1 模糊化接口 14

3.2.2 知识库 14

3.2.3 模糊推理和解模糊接口 15

3.2.4 模糊控制器的优缺点及解决方法 15

3.3 模糊PID控制器 15

3.4 模糊自适应PID控制器的设计 16

3.5 仿真分析 18

3.5.1 模糊规则库的建立 18

3.5.2 模糊自适应PID控制器的仿真 22

4 总结 28

参考文献 29

致谢 30

PID控制器的参数设计研究

,China

Abstract: In this paper, parameter design of conventional PID controller is studied and the parameter setting method of the PID controller is analyzed and compared. At the same time, the parameter design of fuzzy adaptive PID controller is studied in view of the deficiency of conventional PID controller. The advantages of the fuzzy PID controller are discussed. Through MATLAB simulation and comparative analysis, the effectiveness of the fuzzy PID controller in the control of systems is further explained.

Key words: PID controller; fuzzy control; MATLAB

1 绪论

1.1 PID控制器研究的目的和意义

自从PID控制器产生以来，凭借其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业生产过程中应用最广的控制器；据统计，在工业控制控制回路中具有PID控制器结构的就有90%以上的，其中PID控制技术为84.5%，优化PID控制技术为6.8%，还有10%的控制技术主要为智能控制技术、较为现代的控制技术与人为手动控制技术。

尽管PID控制器在自动控制领域已经产生并应用了较长的时间，但是它仍是一个活跃的研究领域。最近的一项调查显示，PID控制的应用与传统的先进的控制和模型预测控制的比例是100:10:1。这些都说明了PID控制一直保持着巨大的活跃性。

随着工业控制技术的发展，控制系统对控制器的控制性能要求也越来越高，为了进一步改进系统控制技术，提高控制系统控制质量，因此进一步挖掘和研究PID控制器的控制品质对控制技术的发展具有重要的意义。

1.2 国内外研究现状

十七世纪中叶至二十世纪二十年代，为机器工业的发展的阶段，在此期间，反馈的方法首先被提出，在研究气动和电动记录仪时发现了比例和积分，控制器的形式是P和PI。二十世纪二十年代至四十年代，泰勒仪器公司发现了微分作用，微分作用的发现具有重要的意义。在1942年和1943年，泰勒仪器公司的Ziegler和Nichols等人分别在开环和闭环的情况下，研究了比例、积分和微分在控制中的作用，首次提出了PID控制器参数自整定的问题。

1996年，胡晚霞等提出了交叉两点法，通过计算机仿真相应的PID参数整定规则；1998年，夏淑艳提出了利用拉盖尔级数辨识和整定的方法；2004年，曾振平等人提出了一种基于改进的广义平方误差积分准则的PID参数整定新方法。

模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授查德（L.A.Zaden）于1965首先提出的，并首次提出表达实物模糊性的主要概念：隶属函数。1975年，P.J.King等人将模糊控制系统应用于工业反应炉搅拌池的温度控制中。1977年，C.P.Pappis等人首先对十字路口的交通枢纽指挥系统采用模糊控制，使车辆平均等待时间减少了7%^[1]。

近年来，模糊PID控制器在国内的应用越来越广泛。陈建琴等人对单变量模糊闭环模糊控制系统稳定性进行了分析，并给出了稳定条件；赵明洁等人针对一类常见的非线性系统，提出了一种模糊自适应控制器的设计方案^[14]。

1.3 研究内容

自从有了PID控制后，PID参数整定就是人们重点研究的方向。在长期的时间中，人们已经积累了许多关于如何正确使用PID控制的经验，尤其是在工业生产中，由于控制对象的参数变化，很难达到预期的控制效果，所以人们常根据经验来整定PID控制器的参数。此外，PID控制器的参数整定方法也处于不断成长和更新中，越来越多的结合智能控制理论的PID控制器不断涌现。本文主要是针对PID控制器的参数整定与模糊自适应PID控制器的设计进行了分析与研究，具体内容如下：

第一章主要介绍课题研究的目的和意义，国内外的研究现状与本论文的研究内容。

第二章分析了常规PID控制器的基本原理，系统地介绍PID控制器参数整定的一般方法，并对不同的整定方法进行仿真研究对比，最后总结了各种方法的适用范围及优缺点。

第三章介绍了模糊控制的基本概念，模糊控制器的构成及其优缺点，对模糊PID控制器的设计进行了研究，并通过仿真对比分析验证了该控制器的优越性。

第四章对全文进行总结。

2 PID控制器的参数整定

这么多年来PID控制器的活跃性非但没有减弱，反而越来越有活力，而PID控制之所以经久不衰的原因是因为结构简单、调整方便、工作可靠、稳定性好等原因。本章将结合PID控制器的原理研究PID控制器的参数整定方法。

2.1 PID控制器原理

PID控制器是一个简单的三增益控制器，其原理框图如图2.1-1所示。

y(t)

r(t)

_

图2.1-1 PID控制系统原理框图

它根据给定值与实际输出值构成控制偏差,即。对偏差进行比例、积分和微分运算并将三种运算结果相加，就得到PID控制器的控制输出。在连续时间内，PID控制器算法的表达式如下：

（2-1）

式中：-比例系数；-积分时间常数；-微分时间常数。

下面简述PID控制器各个矫正环节的作用^[12]。

2.1.1 比例调节

比例调节可以及时成比例地反映控制系统的偏差信号，一旦偏差产生，控制器立即产生控制作用以减少偏差。但还需注意的是比例调节是有差调节，它的控制并不精确，会有一定的残差存在。

它的优点是能调整系统的开环比例系数，调节迅速，响应及时，能快速抵消干扰，提高系统的稳定度。此外，它的缺点是如果仅用比例控制器，过大的开环比例系数不仅会使控制系统的超调量增大，而且会使系统激烈振荡甚至导致不稳定。随着比例带的加大，残差也会加大。

2.1.2 积分调节

积分调节的优点是消除稳态误差，提高系统的控制性能。积分调节是无差调节，这与比例调节形成鲜明的对比。它的缺点是积分控制器的加入会使反应速度变得缓慢，振荡加剧，降低系统的稳定性，使系统的稳定裕度减少，降低了系统的振荡频率。

2.1.3 微分调节

它的优点是使系统的响应速度变快,超调量减小,振荡减轻,对动态过程有“预测”作用。但同时要注意微分控制在任何情况下都不可以单独使用，因为实际的调节器都存在一定的失灵区，所以微分调节只是起到辅助作用。微分环节反映了偏差信号的变化趋势，还能调节误差的微分输出，当误差突变时，微分调节能及时控制。

2.2 PID控制器参数整定方法

PID控制器参数整定方法大致可以分为两大类：一是理论计算整定法^[15]，它是基于被控对象精确的数学模型，通过套用公式直接确定控制器参数。但是通常实际PID控制器与理论PID控制器的动作规律是有区别的，还有外在环境的影响，所以这种方法所得到的计算数据并不很可靠，还必须现场再对控制对象进行调整和修改。理论计算整定法通常比较复杂，使用不方便。二是工程整定法，有一些是基于对象的阶跃响应曲线，有些则直接在闭环系统中进行。虽然它们是一种近似的经验方法，但相当实用。 PID控制器参数的整定方法，主要有Z-N法、临界比例法、反应曲线法、衰减法、C-C整定法等方法。

2.2.1 Z-N整定方法

常规Ziegler-Nichols整定方法^[2,3,4]是Ziegler和Nichols于1942年提出的，它是一种以被控对象控制通道的阶跃响应为依据,其整定经验公式是基于带有延迟的一阶惯性模型提出的，这种对象模型如下：

（2-2）

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：19011字

相关图片展示：