基于matlab的智能pid控制器设计(附件)【字数：10128】
摘 要PID控制因其自身的优点仍旧是目前最广泛应用的基本控制方式，也是目前为止最通用的控制方法。在PID控制器的设计过程中，最重要的是参数设置。随着电子计算机的迅速发展，对于PID参数的整定可以借助一些软件来实现，比如迄今为止得到广泛使用的MATLAB仿真系统。本文基于MATLAB的PID控制器进行设计，主要包括了PID的原理和设计、参数的最优调整法，基于LQR方法的先进PID控制介绍，单级倒立摆的PID控制仿真以及结果分析。在本文的最后，对本文进行了总结，仿真的结果证明了所设计的PID控制器能够有效的提高系统的各方面性能。
目 录
第一章 引言 1
1.1PID控制简介 1
1.2常见的先进PID控制方法 1
1.3本文所做工作 1
第二章 控制系统及PID调节 2
2.1控制系统 2
2.2 PID控制 2
2.3 PID参数最佳调整法 4
2.3.1 PID调整方法 4
2.3.2无转移函数的PID调整法 5
2.3.3针对有转移函数的PID调整方法 8
第三章 控制系统的MATLAB的仿真 12
3.1 MATLAB/Simulink概述与特点 12
3.2 PID工具箱 13
3.3 SIMULINK环境下的系统仿真 14
3.3.1阶跃信号在PID控制系统中的响应 14
3.3.2加入干扰信号时PID控制系统中的阶跃响应 15
第四章 基于LQR方法的先进PID控制 18
4.1 LQR原理 18
4.2加权阵Q、R的选择 18
4.3基于LQR法的先进PID控制器设计 19
第五章 单级倒立摆的PID控制 21
5.1单级倒立摆动态模型 21
5.2单级倒立摆系统仿真模型 23
5.3单级倒立摆系统GUI实验设计 25
5.4仿真程序及分析 26
结束语 29
致 谢 30
参考文献 31
第一章 引言 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
1.1PID控制简介
在工程实践中，我们常说的PID控制就指是比例，积分和微分控制器，或者简称PID调节。PID控制器最大的特点是简单的结构、调整方便、运行可靠、稳定性好等等，至今它拥有七十多年的历史，同时它也是工业控制的主要控制技术。由于其它控制技术理论难以完成在没有完整的控制对象参数和结构以及没有精准的数学模型下的实际工作的环境，只能凭借工作者所积累的实践经验来确实控制，而此时基于PID的控制技术就显得尤为的简便。在我们无法完全控制和控制对象是一个系统的情况下，或者没有根据有效的测量来获得相关的系统参数时，最好使用PID控制技术。 实际上PID控制由PI和PD控制，那么系统所产生的误差就可以通过比例、积分和为来进行调节和控制，从而达到最佳控制效果。
1.2常见的先进PID控制方法
常见的几种先进一些PID控制方法如下：基于LQR方法的PID控制、改进的数字PID控制、非线性系统的PID鲁棒控制、基于干扰观测器的PID控制、基于PD增益自适应调节的模型参考自适应控制、一类非线性PID控制、单级倒立摆的PID控制、吊车双摆系统的控制、基于Antiwindup的PID控制等等。本文主要讨论基于LQR方法的PID控制。
1.3本文所做工作
首先本文第一章对PID控制进行了简单的阐述以及先进PID控制常见的有哪些种；第二章详细地介绍了PID控制的构成及其参数的调整方式；第三章介绍了基于MATLAB的PID控制的设计；第四章介绍了基于LQR的先进PID控制，内容包括了LQR的基本原理、加权矩阵QR的选择以及基于LQR方法的先进PID控制设计；第五章则介绍了以经典的倒立摆控制为例，即采用传统PID控制、基于LQR方法的先进PID控制分别进行MATLAB仿真，并分析实验结果进行对比。
第二章 控制系统及PID调节
2.1控制系统
自动控制，指的是直接介入的情况下，使用控制手动控制装置的对象，并使控制量等于给定值或更改给定信号的变化规律来改变过程。自动控制系统就是对被控制对象的工作状态可进行自动控制的系统。它由控制装置和手控对象组成，开环控制和闭环控制都是最基本的控制方式。
开环控制系统指控制装置和受控对象之间仅存在顺向作用而没有反向的影响，说明它的输出不影响控制系统，换句话说，控制端和控制对象是单向的。 虽然它的系统结构简单控制起来也很方便，但是在抗干扰能力上显得无力控制精度也不高，只能用于控制要求较低的场合。
闭环控制系统指控制装置与受控制对象间，不仅是顺向作用，还有反向作用，说明它的输出影响控制系统，也就是说，控制端和控制对象是双向的。闭环系统可以减少或消除由于正向通道中的干扰而导致的受控量的偏差，所以它的精确度比像较于开环系统较高。
2.2 PID控制
当对象的容积滞后较多时且要求无稳态误差时，将比例、积分、微分组合构成PID控制或称PID调节。它是最基本的调节方式也是一种具有线性调节规律。
（1）比例控制P
P控制—一种最简的控制形式，它的输入信号和输出信号成正相关，P控制的特点：调节系统开环增益，提高系统稳定性，提升系统相应速度但是会影响系统的稳定性。图21为比例电路
/
图21 比例电路图
比例公式：
式（22）
（2）积分控制I
I控制控制器的输出信号的变化速度与偏差信号正比关系。I控制的特点是无差控制。图22为积分电路。
/
图22 积分电路图
目 录
第一章 引言 1
1.1PID控制简介 1
1.2常见的先进PID控制方法 1
1.3本文所做工作 1
第二章 控制系统及PID调节 2
2.1控制系统 2
2.2 PID控制 2
2.3 PID参数最佳调整法 4
2.3.1 PID调整方法 4
2.3.2无转移函数的PID调整法 5
2.3.3针对有转移函数的PID调整方法 8
第三章 控制系统的MATLAB的仿真 12
3.1 MATLAB/Simulink概述与特点 12
3.2 PID工具箱 13
3.3 SIMULINK环境下的系统仿真 14
3.3.1阶跃信号在PID控制系统中的响应 14
3.3.2加入干扰信号时PID控制系统中的阶跃响应 15
第四章 基于LQR方法的先进PID控制 18
4.1 LQR原理 18
4.2加权阵Q、R的选择 18
4.3基于LQR法的先进PID控制器设计 19
第五章 单级倒立摆的PID控制 21
5.1单级倒立摆动态模型 21
5.2单级倒立摆系统仿真模型 23
5.3单级倒立摆系统GUI实验设计 25
5.4仿真程序及分析 26
结束语 29
致 谢 30
参考文献 31
第一章 引言 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
1.1PID控制简介
在工程实践中，我们常说的PID控制就指是比例，积分和微分控制器，或者简称PID调节。PID控制器最大的特点是简单的结构、调整方便、运行可靠、稳定性好等等，至今它拥有七十多年的历史，同时它也是工业控制的主要控制技术。由于其它控制技术理论难以完成在没有完整的控制对象参数和结构以及没有精准的数学模型下的实际工作的环境，只能凭借工作者所积累的实践经验来确实控制，而此时基于PID的控制技术就显得尤为的简便。在我们无法完全控制和控制对象是一个系统的情况下，或者没有根据有效的测量来获得相关的系统参数时，最好使用PID控制技术。 实际上PID控制由PI和PD控制，那么系统所产生的误差就可以通过比例、积分和为来进行调节和控制，从而达到最佳控制效果。
1.2常见的先进PID控制方法
常见的几种先进一些PID控制方法如下：基于LQR方法的PID控制、改进的数字PID控制、非线性系统的PID鲁棒控制、基于干扰观测器的PID控制、基于PD增益自适应调节的模型参考自适应控制、一类非线性PID控制、单级倒立摆的PID控制、吊车双摆系统的控制、基于Antiwindup的PID控制等等。本文主要讨论基于LQR方法的PID控制。
1.3本文所做工作
首先本文第一章对PID控制进行了简单的阐述以及先进PID控制常见的有哪些种；第二章详细地介绍了PID控制的构成及其参数的调整方式；第三章介绍了基于MATLAB的PID控制的设计；第四章介绍了基于LQR的先进PID控制，内容包括了LQR的基本原理、加权矩阵QR的选择以及基于LQR方法的先进PID控制设计；第五章则介绍了以经典的倒立摆控制为例，即采用传统PID控制、基于LQR方法的先进PID控制分别进行MATLAB仿真，并分析实验结果进行对比。
第二章 控制系统及PID调节
2.1控制系统
自动控制，指的是直接介入的情况下，使用控制手动控制装置的对象，并使控制量等于给定值或更改给定信号的变化规律来改变过程。自动控制系统就是对被控制对象的工作状态可进行自动控制的系统。它由控制装置和手控对象组成，开环控制和闭环控制都是最基本的控制方式。
开环控制系统指控制装置和受控对象之间仅存在顺向作用而没有反向的影响，说明它的输出不影响控制系统，换句话说，控制端和控制对象是单向的。 虽然它的系统结构简单控制起来也很方便，但是在抗干扰能力上显得无力控制精度也不高，只能用于控制要求较低的场合。
闭环控制系统指控制装置与受控制对象间，不仅是顺向作用，还有反向作用，说明它的输出影响控制系统，也就是说，控制端和控制对象是双向的。闭环系统可以减少或消除由于正向通道中的干扰而导致的受控量的偏差，所以它的精确度比像较于开环系统较高。
2.2 PID控制
当对象的容积滞后较多时且要求无稳态误差时，将比例、积分、微分组合构成PID控制或称PID调节。它是最基本的调节方式也是一种具有线性调节规律。
（1）比例控制P
P控制—一种最简的控制形式，它的输入信号和输出信号成正相关，P控制的特点：调节系统开环增益，提高系统稳定性，提升系统相应速度但是会影响系统的稳定性。图21为比例电路
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图21 比例电路图
比例公式：
式（22）
（2）积分控制I
I控制控制器的输出信号的变化速度与偏差信号正比关系。I控制的特点是无差控制。图22为积分电路。
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图22 积分电路图
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