西安科技大学电控学院本科毕业设计 1.2 国内外研究现状及MATLAB简介
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。
自Ziegler和Nichols提出PID参数整定方法起，有许多技术已经被用于PID控制器的手动和自动整定.根据发展阶段的划分，可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法；按照被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者是最近研究的热点及难点；按控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法，前者用于经典PID调节器，后者用于由非线性跟踪-微分器和非线性组合方式生成的非线性PID控制器。
［2］Astrom在1988年美国控制会议（ACC）上作的《面向智能控制》的大会报告概述
了结合于新一代工业控制器中的两种控制思想——自整定和自适应，为智能PID控制的发展奠定了基础。他认为自整定控制器和自适应控制器能视为一个有经验的仪表工程师的整定经验的自动化，在文［3］中继续阐述了这种思想,认为自整定调节器包含从实验中提取过程动态特性的方法及控制设计方法，并可能决定何时使用PI或PID控制，即自整定调节器应具有推理能力。自适应PID的应用途径的不断扩大使得对其整定方法的应用研究变得日益重要。目前，在众多的整定方法中，主要有两种方法在实际工业过程中应用较好，一种是由福克斯波罗（Foxboro）公司推出的基于模式识别的参数整定方法（基于规则），另一种是基于继电反馈的参数整定方法（基于模型）.前者主要应用于Foxboro的单回路EXACT控制器及其分散控制系统I/A Series的PIDE功能块，其原理基于Bristol在模式识别方面的早期工作［11］。后者的应用实例较多，这类控制器现在包括自整定、增益计划设定及反馈和前馈增益的连续自适应等功能.这些技术极大地简化了PID控制器的使用，显着改
［4］ 进了它的性能，它们被统称为自适应智能控制技术。
自适应技术中最主要的是自整定。按工作机理划分，自整定方法能被分为两类：基于
［4］
模型的自整定方法和基于规则的自整定方法。
在基于模型的自整定方法中，可以通过暂态响应实验、参数估计及频率响应实验来获得过程模型。
在基于规则的自整定方法中，不用获得过程实验模型，整定基于类似有经验的操作者手动整定的规则。
为了满足不同系统的要求，针对多变量和非线形的系统还分别采用了多变量PID参数整定方法和非线性PID参数整定方法。
PID控制算法是迄今为止最通用的控制策略.有许多不同的方法以确定合适的控制器
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西安科技大学电控学院本科毕业设计 参数.这些方法区分于复杂性、灵活性及使用的过程知识量。一个好的整定方法应该基于合理地考虑以下特性的折衷：负载干扰衰减，测量噪声效果，过程变化的鲁棒性，设定值变化的响应，所需模型，计算要求等.我们需要简单、直观、易用的方法，它们需要较少的信息，并能够给出合适的性能。我们也需要那些尽管需要更多的信息及计算量，但能给出较好性能的较复杂的方法。
从目前PID参数整定方法的研究和应用现状来看，以下几个方面将是今后一段时间内
［4］
研究和实践的重点。
①对于单输入单输出被控对象，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地完成整定。
②对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显着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，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线
［4］
整定。
③智能PID控制技术有待进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自动诊断功能；结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进；将预测控制、模糊控制和PID控制相结合，进
［4］
一步提高控制系统性能，都是智能PID控制发展的极有前途的方向。
Matrix Laboratory(缩写为Mat lab)软件包，是一种功能强、效率高、便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括:一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并将应用程序和图形集于便于使用的集成环境中。在此环境下所解问题的Mat lab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程并能够进行高效率和富有创造性的计算，同时提供了与其它高级语言的接口，是科学研究和工程应用必备的工具。目前，在控制界、图像信号处理、生物医学工程等领域得到广泛的应用。本论文设计中PID参数的整定用到的是Mat lab中的 SIMULINK,它是一个强大的软件包 ，在液压系统仿真中只需要做数学模型的推导工作。用 SIMULINK对设计好的系统进行仿真，可以预知效果，检验设计的正确性，为设计人员提供参考。其仿真结果是否
［8］可用，取决于数学模型正确与否，因此要注意模型的合理及输入系统的参数值要准确。
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西安科技大学电控学院本科毕业设计 第二章 控制系统及PID调节
2.1 控制系统构成
对控制对象的工作状态能进行自动控制的系统称为自动控制系统，一般由控制器与控制对象组成，控制方式可分为连续控制与反馈控制，即一般所称，开回路与闭回路控制。
连续控制系统的输出量对系统的控制作用没有任何影响，也就是说，控制端与控制对象为单向作用，这样的系统亦称开回路系统。
反馈控制是指将所要求的设定值与系统的输出值做比较，求其偏差量，利用这偏差量将系统输出值使其与设定值调为一致。
反馈控制系统方块图一般如图2-1所示：
比较组件 控制器 被控对象 感测与转换 图2-1反馈控制系统方块图
2.2 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控制器问世至今已有近60年的历史了，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主要和可靠的技术工具。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，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的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的参数的时候，便最适合用PID控制技术。 2.2.1 比例、积分、微分
1. 比例
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西安科技大学电控学院本科毕业设计 2. 积分器R2ViR1Vo
图2-2 比例电路
Vo(t)Vi??R2(R t)1Vo(t)??R2R?Vi(t) 公式（2-1）
11/SCViR1Vo
图2-3 积分电路
Vo1(t)Vi??SC111(t)R??SCR???
11CR1SVo(t)??1CR?1Vi 1SVo?1(t)?CRVidt 公式（2-2）
1?1/SCR2VIVo
图2-4微分电路
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西安科技大学电控学院本科毕业设计 3. 微分器
Vo(t)Vi(t)??R2??CR2S 1SCVo(t)??CR2SVi(t)
Vo(t)??CR2dVi (式2-3) dt实际中也有PI和PD控制器。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，控制器输出和控制器输入（误差）之间的关系在时域中如公式（2-4）和（2-5）:
de(t)1u(t)=Kp(e(t)+Td+?e(t)dt) 公式（2-4）
dtTiKU(s)=[KP+i?KdS]E(s) 公式（2-5）
SKK公式中U(s)和E(s)分别为u(t)和e(t)的拉氏变换，Td?d，Ti?P，其中KP、Ki、
KiKpKd分别为控制器的比例、积分、微分系数2.2.2 Ｐ、Ｉ、Ｄ控制 比例（P）控制
［14］
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器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（Steady-state error）。 积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入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，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。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(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差讯号的微分（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。其原因是由于存在有较大惯性的组件（环节）和（或）有滞后(delay)的组件，使力图克服误差的作用，其变
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