基于MATLAB的PID工具箱的设计

基于MATLAB的PID工具箱的设计１第一章引言当今的自动控制校术大部分是基于反馈概念的。反馈理论包括三个基本要素:测量、比较和执行。测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来纠正和调节控制系统的响应。反馈理论及其在自动控制中应用的关键是做出正确测量并与之比校后，如何用于系统的纠正与调节。在过程系统中，PID类控制器因其结构简单、参数物理意义明显、整定方便、鲁棒性强等优势，应用特别广泛，整定算法和改进控制其结构在文献中也多有报道，然而在MATLAB下至今尚没有被广泛接受的PID控制工具箱。为了解决这一难题，需要将各种典型的控制器模型统一集中到一个工具箱中。可以让用户不用编程序，只通过简单的模块组合就能完成PID控制器的设计与仿真。本论文的研究对象是面向工业过程的PID控制器参数的整定。通过仿真实例详细分析了P、I、D三参量对系统动态性能的影响，给出了用MATLAB求取PID整定参数的方法,通过该方法用户可以只用一条命令就可以轻易的完成一种整定方法.工业过程控制涉及的被控对象大多具有下述特点:1)对象的动态特性是不振荡的对象的阶跃响应通常是单调曲线，被调量的变化比较缓慢。工业对象的幅频特性和相频特性随着频率的增高都向下倾斜。2)对象动态特性有迟延由于迟延的存在，控制器动作的效果往往需要经过一段迟延时间后才会在被调量上表现出来。3)被控对象本身是稳定的或中性稳定的4)被控对象往往具有非线性特性对于被控对象的非线性特性，如果控制精度要求不高或者负荷变化不大，则可以用线性化方法进行处理。本论文只针对线性系统模型进行仿真研究。控制器部分采用由来已久的PID控制器。PID类控制器包括了PI,PD,PID控制器及其很多变形的PID控制器。在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制器方式。在上世纪40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，基于MATLAB的PID工具箱的设计２它是唯一的控制方式。此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多新的控制方法。然而直到现在，PID控制由于它自身的优点仍然是得到最广泛应用的基本控制方式。在应用PID控制器的生产过程中，当工况发生变化时需要调整控制器的参数，这即是PID控制器的参数整定。本论文采用的PID整定方法是指工程整定方法中的动态特性参数法。其整定规则由《PIandPIDControllerTuningRules》一书提供。另外,在该论文的第三章中用例子对P、I、D的原理以及其对系统的影响进行了仿真.通过该仿真可以更明了的PID控制器在过程控制中的优越性.在论文的第四章通过MATLAB中提供的GUIDE命令调出一个空白界面设计的窗口,根据要求设计出该课题所需的界面.通过对各个控件的属性修改和回调函数的填写,经调试得出最终的PID工具箱基于MATLAB的PID工具箱的设计３第二章MATLAB简介2.1MATLAB发展简史与特点MATLAB是有TheMathWorks公司推出的用于仿真的软件。MATLAB语言是一种十分有效的工具，它能容易地解决在系统仿真及领域的教学与研究中遇到的问题，它可以将使用者从繁琐，无谓的底层编程中解放出来，把有限的宝贵时间更多的花在解决科学问题中，这样无疑会提高工作效率。经过几十年的发展和研究，不断的完善其功能。现在MATLAB已经推出7.8版本，占据了数值软件市场的主导地位。目前，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，现在的MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它已经成为了一种具有广泛应用前景的、全新的计算机高级编程语言了，有人称它为“第四代”计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。MATLAB语言的功能也越来越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法。MATLAB长于数值计算，能处理大量的数据，而且效率比较高。该产品组是支持从概念设计、算法开发、建模仿真和实时实现的理想的集成环境。无论是进行科学研究还是产品开发，MATLAB产品组都是必不可少的工具。MATLAB产品组可以用来进行:数据分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统设计、数字图像信号处理、财务工程、建模仿真原型开发、应用开发、图形用户界面设计。如果单纯地使用MATLAB语言进行编程而不采用其它外部语言，则用MATLAB语言编写出来的程序不作丝毫的修改便可以直接移植到其它机型上使用，所以说与其它语言不同，MATLAB是和机器类型和操作系统基本上无关的，与其他它程序设计语言相比，MATLAB语言有如下的优势:(1)MATLAB语言的简洁高效性使编程效率高MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编基于MATLAB的PID工具箱的设计４写程序，且比BASIC.FORTRAN和C等语言更加接近我们书写计算公式的思维方式，用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。(2)用户使用方便MATLAB语言是一种解释执行的语言(在没被专门的工且编译之前)，它灵活、方便.其调试程序手段丰富，调试进度快，需要学习时间少，人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤:编辑、编译、链接，以及执行和调试。(3)扩充能力强，交互性好高版本的MATLAB语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且MATLAB的库函数同用户文件在形式上一样，所以用户文件也可作为MATLAB的库函数来调用。因而，用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高MATLAB的使用效率和扩充它的功能。(4)MATLAB语言方便的绘图功能MATLAB的绘图是十分方便的，它有一系列绘图函数(命令)，这种为科学研究着想的设计是通用的编程语言所不能及的。MATLAB语言可以用最直观的语句将实验数据或计算结果用图形的方式显示出来，并可以将以往难以出来的隐函数直接用曲线绘制出来。2.2MATLAB图形用户界面(GUI)计技术用户界面是指人与机器之间交互作用的工具和方法，交换信息的接口。图形用户界面(GraphicalUserInterfaces,GUI)则是由窗口、光标、按键、菜单、文字说明等对象构成的一个用户界面。用户通过一定的方法选择、激活这些图形对象，使计算机产生某种动作或变化，比如实现计算、绘图等。随着Windows技术的发展，MATLAB的用户及TheMathWorks公司的开发者们逐渐意识到在多个窗口界面下运行MATLAB的必要性和可行性。1992年TheMathWorks公司推出了具有创造性意义的MATLAB4.0版本，并于次年正式推出了MATLAB4.0版的PC机版本，以适应日益流行的MicrosoftWindows环境下使基于MATLAB的PID工具箱的设计５用。MATLAB4.0版本一出现，立即引起了使用者和程序开发人员的极大兴趣，因为它使在其它语言环境下看起来十分复杂的WINDOWS图形界面设计显得非常的容易和方便。MATLAB5.0版的出现使MATLAB图形界面设计技术进入了一个新的阶段。该版本提供了一个实用的用户图形界面开发程序Guide，然而在该版本中其功能很不完善，6.0版中提供的Guide程序功能有了很大的改观，但有些地方也不甚理想，MATLAB6.1中增强了Guide程序的功能，它完全支持可视化编程，其方便程度类似于VisualBasic。将它提供的方法和用户的MATLAB编程经验结合起来，可以很容易地写出高水平的用户界面程序。基于MATLAB的PID工具箱的设计６第三章PID控制器设计3.1PID控制器原理PID控制器，是比例P、积分I、微分D控制的简称，它是一种负反馈控制。PID控制器是最早发展起来的控制策略之一，在生产过程的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。因为这种控制具有简单的控制结构，在实际应用中又较易于整定，所以它在工业过程控制中有着最广泛的应用。PID控制器结构简单，各参数物理意义明确，控制参数相互独立，参数选定比较简单，适用面广，在工程上易于实现;而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活。长期以来被广大科学技术人员及现场操作人员所采用，并积累了大量的经验。特别是在化工过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统参数又经常发生变化常采用PID控制器，并根据经验进行在线整定。随着计算机技术的发展，PID控制已能用微机方便地实现。由于计算机软件的灵活性，PID算法可以得到改进而更加完善，并可与其它控制规律结合在一起，产生更好的控制效果。即使在控制理论日新月异发展的今天，在工业过程控制中，90%以上的控制器仍然是PID控制器。PID控制的优点:1)原理简单，使用方便。2)适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。按PID控制进行工作的自动调节器早己商品化。在具体实现上它们经历了机械式、液动式、气动式、电子式等发展阶段，但始终没有脱离PID控制的范畴。即使目前最新式的过程控制计算机，其最基本的控制功能也仍然是PID控制。3)鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。基于MATLAB的PID工具箱的设计７一种控制方法能被广泛应的和发展，根本原因在于这种控制方法能满足实际控制的应用需求和具备应用实现的条件。在计算机技术没有发展的条件下，大量的控制对象是一些较为简单的单输入单输出线性系统，而且对这些对象的自动控制要求是保持输出变量为要求的恒值，消除或减少输出变量与给定值之误差、误差速度等。而PID控制的结构，正是适合于这种对象的控制要求。另一方面，PID控制结构简单、调试方便，用一般电子线路、电气机械装置很容易实现，这种PID控制比其它复杂控制方法具有可实现的优先条件，即使到了计算机出现的时代，由于被控对象输出信息的获取目前主要是“位置信息”、“速度信息”和部分“加速度信息”，而更高阶的信息无法或很难测量，在此情况下，高维、复杂控制只能在计算方法上利用计算机的优势，而在实际应用中，在不能或难以获得高阶信息的条件下，PID控制或二阶形式的控制器仍是应用的主要方法。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。典型模拟PID控制系统原理框图如下图所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。从图中可以看出，在PID控制器下，分别对误差信号e(t)进行比例、积分与微分运算，其结果的加权和构成系统的控制信号u(t)送给对象模型加以控制。图3.1PID控制器结构图PID控制器的时域数学描述为dttdeTddeTiteKptut01)()(（3.1）式中u(t)为进入对象模型的控制信号，而误差信号e(t)定义为e(t)=r(t)-y(t)输入信号r(t)为系统的参考输入信号。下图是典型的复频域PID控制的系统结构图。在PID控制器作用下，对误差信号分别进行比例、积分、微分控制。控制器的输出作为被控对象的输入控制量。基于MATLAB的PID工具箱的设计８图3.2PID控制器结构图PID控制器的传递函数为:TdSTiSKpsGc11（3.2）式中，Kp为比例增益，Ti为积分时间，Td为微分时间。当Td=0,Ti=∞时，则有Gc(s)=Kp，称为比例(P)控制器:当Ti=∞时，Gc(s)=Kp(1+Tds)，称为比例微分(PD)控制器，当Td=0时，TiSKpsGc11称为比例积分(PI)控制器;当0Kp时,Td时，则有TiSKpsGc11，称为PID调节器。PID控制是比例、积分、微分控制的总体，而各部分的参数Kp,Ti,TD大小不同则比例、微分、积分所起作用强弱不同。因此在PID控制器中，如何确定Kp,Ti，TD三个参数的值，是对系统进行控制的关键。在工业过程控制中如何把三参数调节到最佳状态需要深入了解PI