基于MATLAB的PID算法研究

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1、PID控制器是以它的三种纠正算法而命名的，一种基于对“当前”、“过去”和“将来”信息估计的简单但却有效的控制算法。由于其原理简单、算法简单、鲁棒性能好、可靠性高等优点，PID控制在工业过程控制中得到最广泛的运用。在工业过程控制中，目前采用最多的控制方式依然是PID方式，即使是在日本，PID控制的使用率也达到84.5%。PID控制为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。然而，在实际的应用中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点，特别是

2、在噪声、负载扰动等因素的影响下，参数复杂烦琐的整定过程一直困扰着工程技术人员。为了减少参数整定的工作量，克服因环境变化或扰动作用造成系统性能的降低，就要提出一种PID控制参数的自动整定。PID控制器的控制系统其控制品质的优劣在很大程度上取决于PID控制器参数的整定。PID控制器参数整定，是指在控制器规律己经确定为PID形式的情况下，通过调整PID控制器的参数，使得由被控对象、控制器等组成的控制回路的动态特性满足期望的指标要求，达到理想的控制目标。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信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-stateerror)。

3、积分控制的作用是消除稳态误差。只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。微分控制能够预测误差变化的趋势，可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高。同时，加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。在实际生产中，为了使原系统的性能指标有所改善，经常按照一定的方式接入校正装置，一般的控制器和校正装置常常采用的控制规律有比例(P)、微分(I)、积分(D)以及这些控制规

4、律的组合，常用的有比例积分(PI)、比例微分(PD)、以及比例积分微分(PID)控制器。比例。采用P控制规律能较快地克服扰动的影响，它作用于输出值较快，但不能很好地稳定在一个理想的数值。虽较能有效的克服扰动的影响，但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。比例积分。控制规律是工程中应用最广泛的一种控制规律，它能在比例的基础上消除余差，使系统在进入稳态后无稳态误差。由于积分作用输出随时间积累而逐渐增大，故调节动作缓慢，造成调节不及时，使系统稳定裕度下降。因此，积分作用一般不单独使用。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数

5、不允许有余差的场合。比例微分。微分具有超前作用，对于具有容量滞后的控制通道，引入微分参与控制，在微分项设置得当的情况下，对于提高系统的动态性能指标，有着显著效果。它能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。因此，对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，为了提高系统的稳定性，减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。需要说明一点，对于那些纯滞后较大的区域里，微分项是无能为力，而在测量信号有噪声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制

6、通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合，如温度控制、成分控制等。比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，系统偏差一旦产生，调节器立即产生与其成比例的控制作用，以减小偏差。比例控制反映快，但对某些系统，可能存在稳态误差，加大比例系数KP,系统的稳态误差减小，但稳定性可能变差。积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现对设定值的无静差跟踪。微分作用的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分作用能反映系统偏差的变化律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。控制算法的普及性也反映了PID控制器在控制品质上的局限性。具体分析

7、，其局限性主要来自以下几个方面:算法结构的简单性决定了PID控制比较适用于单输入单输出最小相位系统，在处理大时滞、开环不稳定过程等受控对象时，需要通过多个PID控制器或与其他控制器的组合，才能得到较好的控制效果；算法结构的简单性同时决定了PID控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭环特性从根本上只是基于动态特性的低阶近似假定的；出于同样的原因，决定了单一PID控制器无法同时满足对假定设定值控制和伺服跟踪控制