基于simulink的非线性优化pid控制

《基于simulink的非线性优化pid控制》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、万方数据基于SIMULINK的非线性优化PID控制顾生杰基于SIMULINK的非线性优化PID控制顾生杰(兰州交通大学信息与电气工程学院甘肃兰州，730070)摘要：提出了利用MATLAB优化控制工具箱与优化函数相结合对非线性系统PID控制器进行优化设计的方法，同时建立了基于MATLAB／SIMULINK的非线性系统仿真图。通过仿真试验，验证了该参数优化设计方法不仅方便快捷，而且使系统具有较好的控制精度和稳定性，可使系统的性能有所提高。关键词：自寻优；PID控制；NCD工具箱；非线性系统Abstract：Aoptim

2、izationdesignmethodisintroducedforPIDparametersofnonlinearsystembasedonMATLABinthispaper．AtthesametimethenonlinearsystemsimulationmodelisbuiltwithMATLAB／SIMUUNKThesimulationresultsverifythattheoptimizationmethodisnotonlyconvenientandquickbutalsoimprovesdynamica

3、ndstaticresponseofnonlinearsystem．Furthermorestrongrobustnessisobtained．Keywords：Self--optimizing；PIDcontrol；NCDtoolbox；Nonlinearsystem中图分类号：TP271+．72文献标识码：B文章编号：1001--9227(2006)02一0062一030引言PID控制是工业过程控制中应用最广的策略之一。因此PID控制器参数的优化设计成为人们关注的问题，它直接影响控制效果的好坏。目前PID参数的优

4、化方法很多，如间接寻优法、专家整定法、单纯形法等。虽然，这些方法都具有良好的寻优特性，但却存在着一些弊端。如文献C1]中仅仅将单纯形法应用于系统，仍然存在局部最小问题，容易陷入局部最优化解，造成寻优失败。03而且当系统的非线性较强时，传统的基于线性化模型的线性系统设计方法难以获得好的控制效果。针对上述问题，本文提出了利用MATLAB优化控制箱与优化函数相结合对非线性系统PID控制器进行优化设计的方法。1PID参数自寻优方法标准的PID控制器数学模型为：03，，．、M(￡)一K矿(f)+Ki拈(r)dr+Kd掣“一‘式

5、中：e(￡)、U(￡)分别为PID控制器的输入与输出。其控制作用M(￡)由误差e(￡)的比例、积分、微分三项之和给出。PID控制中的比例增益、积分增益和微分增益都是按一定的控制性能要求，整定出一组固定的参数。PID控制器参数自寻优就是一个优化设计k。、ki、、l【d的过程，其优化设计原理如图1所收稿日期：2005—11—1062不。图1PID优化设计原理图对于优化设计问题，最重要的是选取目标函数。不同的优化设计，其目标函数是不一样的。在数字PID调节器参数的自寻最优控制中，所选取的性能指标应当既能反映动态特性，又包含

6、稳态特性，因此选取ITSE准则：J一蹙te2(t)dt作为描述系统响应性能的目标函数。通过寻优，确定出使J最佳的误差e，也就整定了寻优参数kD、ki、、l【d的值。这一功能可以利用MATLAB环境下的非线性最小平方函数lsqnonlin()来实现。2基于NCD工具箱的非线性优化PID控制MALAB不但有用于动态系统仿真的SIMU—LINK工具箱，还有一个专用于非线性控制系统优化设计的工具箱NCD[引。借助于工具箱NCD可以自动实现系统参数k，、ki、、l【d的优化设计，直到系统阶跃响应指标达到要求为止。万方数据《自动

7、化与仪器仪表》2006年第2期(总第124期)现以下列被控对象为例来说明具体的方法和步骤。G㈦一考撬式中，a：、a，为系统不确定因素。系统还包含饱和环节和速度限制环节(+0．5)两个非线性环节。a。在lo～o．5之间变化，a，在4～0．15之间变化。采用PID控制器，PID的优化指标为：最大超调量不大于15％；上升时间不大于10s；调整时间不大于30s；系统具有鲁棒性。优化设计的步骤：(1)首先利用Simulink工具箱建立控制系统仿真模型，如图2下半部分所示；图2PID优化设计仿真模型(2)在Simulink环境中

8、双击NCDOutput模块，弹出NCDBlockset窗口，并将其拷贝至模型窗口，与系统输出端子连接；(3)利用Options菜单下的StepResponse命令定义阶跃响应的性能指标。如调整时间选30s，上升时间选10s，稳态误差5％，超调量15％，振荡负幅值百分数取1；(4)Optimization菜单下的Parameters项，定义调整变