1、本科毕业论文系列开题报告电气工程及其自动化基于 MATLAB 的先进 PID 控制一、课题研究意义及现状在 工 程 实 际 中 ， 应 用 最 为 广 泛 的 调 节 器 控 制 规 律 为 比 例 、 积 分 、 微 分 控制 ， 简 称 PID 控 制 ， 又 称 PID 调 节 。 PID 控 制 器 问 世 至 今 又 近 70 年 历 史 ，它 以 其 结 构 简 单 、 稳 定 性 好 、 工 作 可 靠 、 调 整 方 便 而 成 为 工 业 控 制 的 主 要 技术 之 一 。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术很难以采用是，系统控
2、制器的结构和参数必须依靠经验和现场来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合 PID 控制技术。PID 控制实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。由于 PID 控制中，参数的设定十分关键，许多学者对 PID 参数的选取方法进行了研究，目前常见的几种先进 PID 控制方法：基于 LQR 方法的 PID 控制、基于干扰观测器的 PID 控制、非线性系统的 PID 鲁棒控制、一类非线性 PID 控制、基于重复控制补偿的高精度 PID 控制、基
3、于零相差前馈补偿的 PID 控制、基于卡尔曼滤波器的 PID 控制、单级倒立摆的 PID 控制、吊车-双摆系统的控制、基于 Anti-windup 的 PID 控制、基于 PD 增益自适应调节的模型参考自适应控制。本课题主要研究基于 MATLAB 的先进 PID 控制，利用 MATLAB 软件实现传统PID 控制及先进 PID 控制的设计。二、课题研究的主要内容和预期目标主要研究如何应用 MATLAB 实现先进 PID 控制。基本要求：（1）掌握 PID 的基本原理及其几种先进 PID 控制算法；（2）掌握 MATLAB 软件中 GUIDE 工具，Simulink 工具的使用；（3）用 MAT
4、LAB 软件实现先进 PID 控制，完成仿真实验，并对几种先进PID 控制算法进行比较.三、课题研究的方法及措施1、检索相关文献，了解相关技术背景、成果及方案，并学习故障诊断的相关内容。2、在完成步骤 1 的基础上，学习 PID 控制的基本原理。3、在完成步骤 1、2 的基础上给出设计过程：数据的提取、分析、处理。4、完成基于 MATLAB 的先进 PID 的设计。5、用 MATLAB 软件实现算法，完成仿真实验。6、技术文档总结，完成毕业论文。四、课题研究进度计划2010.10.17-2010.11.3： 分析任务，收集资料，完成开题报告、文献综述、外文翻译2010.11.3-2010.12
5、.8 初步完成先进 PID 控制的算法研究部分2010.12.13-2010.12.31 完成先进 PID 控制的仿真实验，验证比较实验结果，并撰写论文初稿2011.1.5-2011.3.10 设计作品完善，论文修改.5、参考文献1 杨智,朱海峰,黄以华. PID 控制器设计与参数整定方法综述J.化工自动化及仪表，2005,32(5):1-7.2 王伟,张晶涛,柴天佑.PID 参数先进整定方法综述J.自动化学报，2000，5, 26（3）：247-348.3 朱笑花，谷凌雁.先进 PID 控制工具箱的开发与应用J.自动化与仪器仪表，2009（3），42.4 贺居锋.基于 MATLAB/SIMU
6、LINK/GUI 的工具箱设计D. 东北大学,2005，02.5 马建伟，李银伢.满意 PID 控制设计理论与设计M.北京：科学出版社，2007，8：87-88.6 薛定宇.反馈控制系统设计与分析MATLAB 语言应用M.北京：清华大学出版社，2000，4：250-2627 邹治军，张晓江.基于 MATLAB 的 PID 控制器设计算法及其实现J.仪器仪表用户，2005,12(5):81-83.8 Hung-Cheng Chen, Sheng-Hsiung Chang.Genetic Algorithms Based Optimization Design of a PID PID Contr
7、oller for an Active Magnetic BearingJ.IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security.2006,6(12):95-99.9 高林中基于 MATLAB 的 PID 控制器设计J山西煤炭管理干部学院学报，2007，4：150151.10 A.ODwyer.Handbook of PI and PID Controller Tuning Rules.London.Imperial College Press,2003.11 刘金锟先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真
8、M.北京：电子工业出版社，2003.毕业论文文献综述电气工程及自动化PID 控制简介摘要：本文主要从宏观上对 PID 控制进行介绍。首先对 PID 概念进行简单的介绍，然后对 P（比例） 、I 积分)、D（微分）逐一进行简介，并给出其电路和公式。最后对 PID 的现状及发展方向进行总结。关键词：PID；P（比例） ；I（积分） ；D （微分）1 前言实际的过程控制与运动控制中，PID 家族占有相当的地位，据统计，工业控制的控制器中 PID 类控制器占优 90%以上，PID 控制起最早出现的控制器类型，因为起结构简单，各个控制器参数有着明显的物理意义，调整方便，所以这类控制器很受攻城人员的喜爱【
9、1】2 PID 控制简介：当今的自动控制技术都是基于反馈的概念，反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正控制调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是。作出正确的测量和比较后，如何才能更好的纠正系统，PID （比例-积分-微风）控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史。现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需要精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最广泛的控制器。PID 控制器由比例单元（P） 、积分单元（I）和微分单元（ D）组成。其输入 e(t)与输出 U(t)的关系为公式（1-1）(1-1)d
10、tetettutipkk)()()()(0因此它的传递函数为公式（1-2）(1-2)GdipssEU)(0比利积分调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节。减少误差，但是过大的比例 ，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就就行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决与几分时间参数Ti。 Ti 越小，积分作用就越强。反之，Ti 大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组
11、成 PI 调节器或 PID 调节器。3 PID 控制将感测与转换器输出的讯号与设定值做比较，用输出信号源（2-10v 或 4-20mA）去控制最终控制组件。在攻城实际中，应用最为广泛的调节器控制规律位比例积分微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。3.1 比例控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制气的输出与输入误差讯号成比例关系。当仅有比例控制时，系统输出存在稳态误差。图 1 为比例电路图 1 比例电路比例公式： RVti120)(（2-1）)(*120ti3.2 积分控制在积分控制中，控制器的输入与输出误差讯号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，
12、则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加。积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分控制器，可以是系统在进入稳态后无稳态误差。图 2 为积分电路。图 2 积分电路积分公式： SCSCt RVio 1*1)(1Vit10（2-2）dtCti10)(3.3 微分控制在微分控制中，控制器的输出与输入讯号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存
13、在有较大惯性的组件和有滞后的组件，使力图克服误差的作用，其变化总是落后与误差的变化。解决的办法是使克服误差的作用变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅仅是放大误差的幅值，而且需要增加“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前克服误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重的冲过头。所以，对有较大惯性或滞后的被控对象，比例=微分的控制岂能改善系统在调节过程中的动态特性 图 3 为微分电路图 3.微分电路微分公式： SCtRVi 2201)()()(20tti（2
14、-3）dtCti20PID 控制现状及发展：在实际的过程控制与运动控制系统中，PID 家族占有相当的地位，据统计，工业控制的控制器中 PID 类控制器占有 90%以上。PID 控制器是最早出现的控制器类型，因为结构简单，各个控制器参数有着明显的物理意义，调整方便，所以这类控制器很受工程技术人员的喜爱。PID 控制中最重要的是对其参数的控制，所以当今国内外 PID 控制技术的研究主要是围绕如何对其参数整定进行的。从目前 PID 参数整定方法的研究和应用现状来看，一下几个方面将是今后一段时间内研究和实践的重点。（1）对于单输入单输出的被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的
15、PID 参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好的完成整定。（2）对于多输入多输出被控对象，需要研究针对具有显著耦合的多变量过程的多变量PID 参数整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所需信息量，使其易于在线整定。总结：PID 调节器从问世至今已经历了半个多世纪，在这几十年中，人们为它的发展和推广左忽了巨大的努力，使之成为工业过程控制中主要的和可靠的技术工具。即使在微处理技术迅速发展的今天，过程控制中大部分控制规律都未能离开 PID，这充分说明了 PID 控制仍具有很强大的生命力。PID 控制中一个至关重要的问题，就是控
16、制器三参数（比例系数=积分时间、微分时间）的整定。整定好坏不但会影响到控制质量，而且还会影响到控制器的鲁棒性。参考文献：1 杨智 ,朱海峰 ,黄以华. PID 控制器设计与参数整定方法综述J.化工自动化及仪表，2005,32(5):17.2 王伟,张晶涛,柴天佑.PID 参数先进整定方法综述J.自动化学报，2000，5, 26（3）：247348.3 朱笑花，谷凌雁.先进 PID 控制工具箱的开发与应用J.自动化与仪器仪表，2009（3） ，42.4 贺居锋.基于 MATLAB/SIMULINK/GUI 的工具箱设计D. 东北大学,2005，02.5 马建伟，李银伢.满意 PID 控制设计理论
17、与设计M.北京：科学出版社，2007，8.6 薛定宇.反馈控制系统设计与分析MATLAB 语言应用M.北京：清华大学出版社，2000，4：250262.7 邹治军，张晓江.基于 MATLAB 的 PID 控制器设计算法及其实现J.仪器仪表用户，2005.5:83-81.8 Hung-Cheng Chen, Sheng-Hsiung Chang.Genetic Algorithms Based Optimization Design of a PID PID Controller for an Active Magnetic BearingJ.IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security.2006, 6(12):95-99.9 高林中基于 MATLAB 的 PID 控制器设计J山西煤炭管理干部学院学报，2007，4：150151.10 A.ODwyer. Handbook of PI and PID Controller Tuning RulesM.London.Imperial College Press,2003.11 刘金锟先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真M.北京：电子工业出版社，2003.毕业设计（20_ _届）基于 MATLAB 的先进 PID 控制
