基于MATLAB的数字PID控制器设计及仿真分析

I基于MATLAB的数字PID控制器设计及仿真分析摘要PID控制作为历史最为悠久，生命力最强的控制方式一直在生产过程自动化控制中发挥着巨大的作用。PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛用于过程控制和运动控制中。数字PID控制算法是将模拟PID离散化而得到的，各参数有着明显的物理意义，而且调整方便，所以PID控制器很受工程技术人员的喜爱。本论文主要实现基于MATLAB的数字PID控制器设计及仿真。首先介绍了传统的模拟PID控制方法，包括比例控制方法、比例积分控制方法、比例积分微分控制方法等。接下来，介绍了数字PID控制。随着时代的发展，科技的进步，传统的模拟PID控制方法不能满足人们的需求，数字PID控制的改进算法也便随之而来。本文最后，应用MATLAB软件，在实验的环境下实现了其设计及仿真。本次毕业设计用来完成数字PID控制器的设计，并通过MATLAB实现其仿真同时加以分析。通过查阅文献得知，与传统模拟PID控制器相比较，该控制器具有良好的灵活性，而且可得到精确的数学模型。另外，基于MATLAB的数字PID控制器设计及仿真，充分的利用了MATLAB的实验环境，整个设计验证了数字PID的广泛可实现性及准确性。关键词：PID控制；模拟PID控制器；数字PID控制器；MATLAB仿真；DesignandsimulationanalysisofDigitalPIDControllerMATLAB-basedAbstractAsthemostage-oldandpowerfulcontrolmode,PIDcontrolalwayshashadagreateffectontheautomaticcontroloftheproductionprocess.PIDcontrolisoneofthefirstdevelopedcontrolstrategy,becauseoftheIIsimplealgorithm，greatrobustandhighreliability,itiswidelyusedinprocesscontrolandmotorcontrol.DigitalPIDcontrolalgorithmisgottenbydiscretingtheanalogPIDcontrol,andtheparametershaveobviousphysicalmeaningandfacilityadjustment,soPIDcontrollerispopularwithengineeringandtechnicalpersonnel.Inthepaper,themainideaistoaccomplishMATLAB-baseddigitalPIDcontrollerdesignandsimulationanalysis.Inthefirstplace,thetraditionalanalogPIDcontrolmethodsisintroduced,includingproportionalcontrolmethods,proportionalintegralcontrolandproportionalintegraldifferentialcontrol.Inthesecondplace,thedigitalPIDcontrolmethodsareoffered.Withthedevelopmentofthetimes,theadvancementoftechnology,traditionalanalogPIDcontrolmethodcannotmakeasatisfaction,thendigitalPIDcontrolisfollowed.Atlast，theapplicationofMATLABsoftwaretoachievetheirdesignandsimulationiseasytoaccomplish.ThegraduationprojectistocompletethedigitalPIDcontrollerdesignandsimulationthroughMATLABsimulationandanalysis.Itisknownthatthroughtheliterature,comparewithtraditionalPIDcontroller,thecontrollerhasgoodflexibilityandprecisionofthemathematicalmodelsavailable.Inaddition,inthenumberofMATLAB-basedPIDcontrollerdesignandsimulation,theMATLABexperimentenvironmentisusedcomprehensively.TheentiredesignisconfirmedthewiderangeandaccuracyofdigitalPIDcontroller.Keywords：PIDcontrol；analogPIDcontroller；digitalPIDcontroller；MATLABsimulatioIII目录摘要.........................................................................IABSTRACT.......................................................................I第1章绪论....................................................................11.1课题目的及意义...........................................................11.2数字PID控制器的研究现状.................................................2第2章PID控制器..............................................................32.1传统PID控制器概述.......................................................32.2PID控制器的基本原理......................................................42.2.1比例(P)调节..........................................................52.2.2比例积分(PI)调节.....................................................72.2.3比例积分微分(PID)调节................................................8第3章数字PID控制器.........................................................113.1数字PID控制系统........................................................113.2数字PID控制的基本算法..................................................113.2.1位置式PID控制算法..................................................113.2.2增量式PID控制算法..................................................133.2.3位置算式与增量算式的比较............................................14第4章数字PID的改进算法.....................................................154.1积分算法的改进..........................................................164.1.1积分分离法..........................................................184.1.2变速积分法..........................................................20IV4.1.3遇限消弱积分法......................................................214.1.4梯形积分法..........................................................224.2微分算法的改进..........................................................224.2.1不完全微分PID控制算法..............................................234.2.2微分先行PID控制算法................................................254.3带死区的PID控制算法....................................................27第5章基于MATLAB的数字PID控制器设计及仿真..................................285.1位置式PID控制算法仿真实例..............................................295.2增量式PID控制算法仿真实例..............................................30参考文献......................................................................31谢辞........................................................................321第1章绪论1.1课题目的及意义PID控制器又称为PID调节器，是按偏差的比例P、积分I、微分进行控制的调节器的简称，它主要针对控制对象来进行参数调节。PID控制器问世至今，控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论3个阶段。在工业控制系统和工程实践中，传统的PID控制策略依然被广泛使用。因为它算法简单、稳定性好、鲁棒性好、在工程上易于实现。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，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，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，最适合用PID控制技术。但PID控制器的参数整定方法复杂，通常采用PID归一参数整定法和试凑法来确定，费时、费力，且不能得到最优的参数整定。针对这一为题用MATLAB实现PID参数整定及仿真的方法及控制参数对PID控制规律的影响。利用MATLAB强大的计算仿真能力，解决了利用试凑法来整定参数十分浩繁的工作，可以方便、快速的找到使系统达到满意的性能指标参数。21.2数字PID控制器的研究现状自动化仪表中的调节仪表,经历了基地式仪表、单元组合仪表或组装仪表、ＤＤＣ工业控制机、ＤＣＳ或ＰＬＣ已发展至现场总线系统。尽管装置在信号传送方式、计算运算方式、元器件等方面都发生了巨