山东轻工业学院2012届本科生毕业设计（论文）
第一章 绪论
1.1 PID控制器的发展与应用
PID(Proportional lntegral Derivative)控制器是工业上广泛应用的一种实现自动控制的方法.在1939年，最早的PID控制器由Tayor Instrument公司的工程师们设计制造。在上世纪50年代，PID控制器从模拟气动方式转换到模拟电动方式，而最终在70年代微处理器发明后，发展成为微处理器数字控制器。
PID控制器在工业上的广泛应用有着以下几个原因:
l)结构简单:PID控制器的.简单结构使其在硬件软件上都易于实现; 2)应用广泛:在工业应用过程中，人们已经积累了安装和维护PID控制器的大量经验。PID算好更是为很多工程师熟记。
3)易于获取:在市TD上有大量商品PID控制器，极易得到。而PID控制器的广泛应用和工业制造商的支持保证了在未来PID控制器也是容易得到的。
4)适用性好:只要通过调节控制器的3个参数就可以使一个控制器应用到不同的被控过程并表现出色。而通过考察控制器的内部原理可以证明PID控制器适用大部分的被控过程。更重要的是，人们发现对于一个没有非线性单元的被控过程，无法使用更复杂的控制器来提高控制能力。PID控制器给出相同控制能力的最简单的控制机构。
5)鲁棒性好:PID控制器保证了很多控制系统保持好的性能.PID因为其很好鲁棒性使控制系统更加稳定。
由于PID控制器的诸多优点，使得现在世界大部分工业生产线都采用PID控制器或者PDI控制规则。如在美国，95%的工业生产线是由PDI控制器控制的。而PID控制器的广泛应用使得业界众多标准会参照，至少会顾及PID控制上的便利。而在实现PDI控制中所积累的众多经验也是工业知识的一个巨大积累。如今，人们甚至可以不用过于关注控制对象的内部结构而只需要凭借经验公式和误差范围就可以实现对被控对象的良好控制。而技术人员的很多工作可以简化为对参数的微调和根据实际情况的所作的一些变换.
在工业控制中，PID控制是工业控制中最常用的方法。但是，它具有一定的局限性:当控制对象不同时，控制器的参数难以自动调整以适应外界环境的变化。为了使控制器具有较好的自适应性，实现控制器参数的自动调整，可以采用模糊控制理论的方法。工业控制上的一条原则是在达到控制目的的同时，控制结构越简单越容易调P口控制公的今效估计节最好。所以很多看似复杂的装，其控制器的结构却极为简单。PID控制器因为其良好的通用性使其通过对3个参数的调整就能较好的实现控制目的(很多时候可能尽是其中的两个参数).
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模糊控制已成为智能自动化控制研究中最为活跃而富有成果的领域。其中，模糊PID控制技术扮演了十分重要的角色，并目仍将成为未来研究与应用的重点技术之一。到目前为止，现代控制理论在许多控制应用中获得了大量成功的范例。然而在工业过程控制中，PID类型的控制技术仍然占有主导地位。虽然未来的控制技术应用领域会越来越宽广、被控对象可以是越来越复杂，相应的控制技术也会变得越来越精巧，但是以PID为原理的各种控制器将是过程控制中不可或缺的基本控制单元。本文将模糊控制和PID控制结合起来，应用模糊推理的方法实现对PID参数进行在线自整定，实现PID参数的最佳调整，设计出参数模糊自整定PID控制器，并进行了Matlab/Simulink仿真。仿真结果表明，与常规PID控制系统相比，该设计获得了更优的鲁棒性和动、静态性及具有良好的自适应性。
1.2 PID控制器参数设置中存在的问题
控制工程的主要目的就是通过一些特殊的方法选择适当的控制器参数以优化被控系统的性能.以前的研究己经得出很多方法，如Ziegler-Nichols方法.但在设置参数的过程中往往会碰到一些实际问题:
1) PID控制可以通过多种方法实现，但是由于不同的算法会导致不同的参数，尽管这些参数在很多情况下是效果相同的;
2) 在实际过程应用中，很可能没有确定参数数值的直接方法。在这种情况下，只能使用模拟控制器，但是相关的读数可能会超出刻度范围甚至无法量化;
3) 对控制器的手动操作可能无法进行;
4) 其他的问题有饱和现象的存在.数字控制器还存在采样重叠失真的问题.
本文的主要目的是针对这些问题，试图找到一些优化算法来从软件上来解决或减少这问题在实际中的影响.
1.3模糊自适应PID控制器发展研究现状
随着工业生产过程的日趋复杂化，系统不可避免地存在非线性、滞后和时变现象。其中有的参数未知或缓慢变化;有的带有延时和随机干扰;有的无法获得较精确的数学模型或模型非常粗糙。传统的PID(比例proportional，积分integral，微分derivative)控制器虽然以其结构简单、工作稳定、适应性好、精度高等优点成为过程控制中应用最为广泛最基本的一种控制器(据日本统计，当前工业上使用的控制中，PID控制约占91.3%，而现代控制理论的控制方式只有1.5%)，而且PID调节规律特别是对于线性定常系统的控制是非常有效的，一般都能够得到比较满意的控制效果，其调节品质取决于PID控制器各个参数的确定。然而，针对上述的复杂系统，如果使用常规的PID控制器，其PID参
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数不是整定困难就是根本无法整定，因此不能得到满意的控制效果。为此，近年来各种改进的PID控制器如自校正、自适应PID及智能控制器迅速发展起来。
模糊控制理论无论从理论方面还是应用方面都已经取得了很大的进展，但是与传统控制理论相比模糊控制理论仍然显得不够成熟。从上面的分析我们也可以看出模糊控制的主要缺点就是没有一个有效的分析和设计方法，仍然需要靠积累的专家经验。为了解决这个问题，很多专家学者正在尝试如何用常规控制中的理论来分析模糊控制系统。模糊控制技术的关键就在于模糊控制器的性能，然而大多数的模糊控制器在设计的时候都是以非解析方式建立的，所以在理论研究中解析方法是一个重要的方法。如何建立一套严格的解析方法是模糊控制今后的发展方向，也是将其与传统理论结合的基本保证。如果有了这个理论基础，就能够运用传统控制理论的方法来研究和解决模糊控制中的问题，同时用结合后的控制思想更好的解决控制问题。
因为控制技术的关键在于控制器的性能，所以一个控制器性能的好坏就决定了控制策略的好坏，而模糊控制器的优劣就决定了模糊控制的效果。目前的模糊控制器大多数都是模糊PID型，是传统控制与模糊控制的结合。所以模糊PD控制不仅是现在应用的范例也是将来技术发展的一个重要技术方向。PD控制器是目前为止应用最广泛的控制器，90%以上的控制系统使用的都是PID控制器。正如我们知道的，PID控制器包括三个环节:比例环节(P)、积分环节(I)、微分环节(D)，它们分别代表着控制器对系统过去、现在和将来信息的反映。所以PID控制基本上涵盖了系统的全部信息，也就是说一般的控制问题都是能够通过PID控制解决的。同时，传统的PID控制器设计又起来十分的简单，而且投入小。正是由于传统PID有着突出的优点，所以在实际的过程控制当中取得了主导地位。但是对于较复杂的过程来说(比如延迟、参数变化、非线性和多输入多输出系统)，传统PID的控制效果并不很好。所以，随着被控对象的复杂程度的增加，控制要求严格性的提高，越来越多的控制技术不断的产生和一种基于Simulink模型的模糊PDI控制器分析和设计完善。这些新的控制技术正在逐渐被应用到更宽的领域当中，但是基于PD控制原理的控制器仍是控制应用中不可或缺的。尤其是近10年来，又重新掀起了对PD控制技术的研究热潮，主要表现在许多学者对PID改进的新方法的提出，比如自调节和自适应PID。研究表明，这些改进后的控制器不仅可以解决简单的线性系统的控制问题，对复杂的、非线性的、高阶的、有延迟的系统的控制也有很好的效果。当然，模糊逻辑的PID控制器也是其中之一，它本质上是一种变增益或者自调节的PID。根据模糊推理输出量的物理含义，模糊PD有以下几个类型:直接控制量型、增益调度型、混合型。
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1.4 本文的主要工作
考虑到本章第二节出现的问题，本文在参考前人工作基础上，选择了一些被证明了的优化算法，并且编程实现了这些算法。然后通过仿真使其能够在实际应用中得到实现。详细过程说明如下.
本文的主要目的是设计一个系统并且设定其PID控制器的参数，最后将其应用到一水力伺服系统中去.这个目的的实现工程因为两个因素而变得复杂化:第一是对于通过不同的PID控制算法所得出的不同参数，如何选择参数使其达到最优控制;第二是对于输入的参考信号，控制器中的比例和微分环节也有很多不同的方法去处理。
本文所有的实验工作都在一个数字控制器上进行，因为其所有参数都能明确的设置，并且这些参数能方便的去检验和确定，从而简化了二次计算的过程。当然，这些都是建立在模拟控制器技术发展和实现的基础上。确定控制器参数，即本文的结构，将按以下过程进行:
1）确定PID算法，并且保证该算法所得结果能够在实际中实现.这个工程包括很多观察工作，并且要求设计者从实际出发去考虑。比如参考点加权和积分器的卷尾现象(integrator wind-up)。
2）考虑模拟控制器如何数字化，具体是在系统辨识中将控制器的预估计误差和数字PIID控制器的类型相联系考虑。第五章将展示如何从系统辨识试验的结果反演模拟控制器的参数的过程。第六章则列出使用Matlab中的Simulink工具箱进行系统辨识的结果，并且还分析为什么ARX和ARMAX模型能够精确计算估计的参数。
3)对在数字控制器上所进行的实验做一个总结，并给出了控制器的系统框图.
第二章 PID控制原理简介
2.1引言
PID调节器从上世纪40年代问世以来，至今已有半个多世纪的历史，在这前几十年工业过程控制中，除在最简单的情况下可直接采用开关控制以外，PID控制一直是最主要的控制方式。随着工业生产自动控制的发展，由于人们的勤劳与智慧，为PID的发展和推广做出了巨大的贡献，使之成为工业过程控制中历史最悠久、生命力最顽强、应用最广泛的基本控制策略。就是在微处理技术迅速发展的今天，尤其随着电子计算机的诞生以及科学技术智能化的发展，涌现出各种新的控制方法，然而在生产过程控制中仍广泛应用PID控制或改变了形式的PID控制策略。以上足以说明PID控制在自动控制的发展过程当中，已
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具有不可替代的地位，并仍将成为今后新型控制策略中，具有主导地位的必要组成部分。PID控制之所以在生产过程中普遍采用，主要由于它具有良好的控制性能、鲁棒性好、可靠性高;控制算法简单、使用方便、灵活等优点，下面将从其控制原理(2.2模拟控制系统和2.3数字控制系统)与应用技术(2.4控制规律的选择和2.5PID控制器的参数整定)两大方面进行介绍。
2.2 PID控制原理
PID控制是偏差比例(P)、偏差积分(I)、偏差微分(D)控制的简称。在模拟控制系统中，常规模拟PID控制系统原理框图(如图2-1)所示。系统由模拟PID控制(虚框内部分)和被控对象组成[22][23]。
如图2-1模拟PID控制系统原理图
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成偏差
e?t??r?t??y?t?
公式（2-1）
将偏差比例、积分和微分控制，通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为
t?Tde?t?1u?t???e?t???e?t?dtD
TI0dt? 公式（2-2）
其传递函数形式为
G?S??U?S?1?KP(1??TDS) ??ESTIS 公式（2-3）
式中 KP—比例系数 TI—积分时间常数 TD—微分时间常数
2.3 PID控制器系统概述
PID控制器系统原理框图如图2-2所示。将偏差的比例（KP）、积分(KI)
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