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1、《现代电子技术》2002年第9期总第140期计算机应用收稿日期:20020626利用SIMULINK和优化工具箱实现PID参数优化OptimizationofPIDParametersUsingSIMULINKandOptimizationToolbox陈淑红CHENShuhong(第二炮兵工程学院西安710025)(SecondArtilleryEngineeringInstitute,Xi′an,710025,China)摘要:主要讨论了PID控制器参数优化问题。通过利用系统仿真模块与优化目标函数模块的结合,建立了SIMULINK模型,并利用优化工具箱方便地实现了PID参数优化,从而提出了
2、一种实现PID参数优化的新方法。仿真实验结果表明该方法简单、效果理想并且可靠性高。关键词:PID控制器;SIMULINK;参数优化PID控制是目前应用最广、最为广大技术人员所过小,则会降低调节精度,尤其是使响应速度缓慢,从熟悉的控制算法之一,这不仅仅因为PID控制结构简而延长调节时间,使系统静态、动态特性变坏。单,参数容易调整,而且更重要的是因为PID适合于积分系数Ki作用在于消除系统的稳态误差。Ki大多数对象特性的控制要求。PID参数的选取直接影越大,系统静态误差消除越快,但Ki过大,在响应过响系统的控制效果,因此对控制器参数进行优化至关程的初期会产生积分饱和现象、从而引起响应过程的重要。较
3、大超调;若Ki过小,将使系统静态误差难以消除,MATLABöSIMULINK是一个用来对动态系统影响系统的调节精度。进行建模、仿真和分析的软件包,它具有模块化、可微分系数Kd作用在于改善系统的动态特性。重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点,可PID控制器的微分作用环节是响应系统偏差的变化大大提高系统仿真的效率和可靠性。MATLAB的优率,其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向化工具箱中提供了一系列用于解决无约束和有约束问的变化,对偏差变化进行提前预报。但Kd过大,则会题的优化函数,可以方便地用来对普通非线性函数求使响应过程过分提前制动,从而延长调节时间,而且解极大或极小值。文章利用S
4、IMULINK和优化工具系统的抗干扰性能较差。箱,在仿真与优化有机结合的基础上,实现了PID控可见,PID控制器的3个参数直接影响着控制效制器参数的优化。果的好坏,所以PID控制要取得好的控制效果,就必须对比例、积分和微分3种控制作用进行调整以形成1PID控制器参数相互配合又相互制约的关系,也就是根据所期望的控工业中常见的PID控制器的输入输出关系为:制效果选择适当的目标函数作为衡量指标,然后利用t优化算法对控制器1d3个参数进行寻优。U(t)=KpE(t)+E(t)dt+TdE(t)T∫i0dt2优化目标函数的选取式中:Kp、Ki、Kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。目标函数的选取是控制
5、系统的参数寻优问题的关从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度键之一。合适的目标函数既能比较确切的反映系统的等各方面特性来考虑,Kp、Ki、Kd各个参数的作用如品质,又能使计算方便。对于同一个系统来说,选择下:不同的目标函数,使这些不同的目标函数达到最优时比例系数Kp作用在于加快系统的响应速度,提的参数也不同。必须选择一个真正的能够评定系统性高系统调节精度。Kp越大,系统的响应速度越快,系能优劣的目标函数,才能得到系统中各参数正确的最统的调节精度越高,也就是对偏差的分辨率越高,但佳组合方案。Kp过大,将产生超调,甚至导致系统不稳定,Kp取值根据对控制系统动态特性的具体要求制定相应的57利用S
6、IMULINK和优化工具箱实现PID参数优化误差准则,即采用期望的控制系统输出响应与实际系MATLAB的优化工具箱提供了一系列用于解决统输出响应之差的某个函数作为目标函数,较常用的无约束和有约束问题的优化函数,可以在SIMULINK误差函数有ISE,ItSE,IAE,ItAE等。其中ItAE准模块中加入调用MATLAB的优化函数的语句来实现则是时间乘以误差的绝对值积分,具体表示为Q=对某些参数的优化。最常用的有约束优化函数为tffmincon,其调用格式为:∫tûe(t)ûdt。它是目前综合描述系统动态性能比较有t0x=fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,效的目标
7、函数,该准则很容易在数字计算机上实现,并nonlcon,options)且用它所求出的最佳参数组合方案能够使系统具有很其中:fun为目标函数的函数名,x0为优化变量的好的稳定性、超调量小、响应时间快等优点。特别是初值,lb、ub分别为优化变量的下界和上界,options对于阶跃输入,人们往往希望系统能抑制可能具有超为优化参数设置,包括优化算法、优化策略、优化步调和振荡的快速响应,此时选用ItAE准
