几种性能指标最优的pid参数整定及性能分析
摘 要 PID控制是自动控制中出现最早，应用也最为广泛的控制方法。在现在的工业生产过程中，对于生产装置的要求比较高。在温度，压力，流量，液位等工业变量上需要保持在一定的数值上或者按照一定的规律变化，来满足生产需要。PID调节器是基于PID的控制原理对整个控制系统的偏差进行调节，从而使变量的实际值与工艺要求的预定值相同。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，还要综合最优性，并能根据尽可能少的信息和计算量，给出较好的结果。本文在Matlab环境下仿真研究了ISE,LAE和ITAE最优性能指标的PID参数整定方法，得出这几种PID调节器的阶跃响应，并对其进行比较和分析。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 PID控制器的发展 1
1.2 PID参数整定方法 1
1.2.1 基于对象参数辨识的整定方法 2
1.2.2 抽取过程对象输出响应特征值的控制器参数整定方法 3
1.2.3 参数优化方法 3
1.2.4 基于模式识别的专家系统整定方法 4
1.2.5 基于控制器自身控制行为的PID 参数整定方法 5
第二章 PID参数控制 7
2.1 PID子模块的介绍 7
2.1.1 比例（P）控制 7
2.1.2 积分（I）控制 7
2.1.3 微分（D）控制 7
2.2 最优PID参数整定简介 8
2.3 最优控制性能指标定义 9
第三章 MATLAB/SIMULINK简介 11
3.1 MATLAB简介 11
3. 2 SIMULINK简介 11
3. 3 SIMULINK的使用 12
第四章 性能指标最优的PID参数整定和性能比较 14
4.1 PID参数设定的原理 14
4.1.1 PI控制器 14
4.1.2 PID控制器 14
4．2 几种性能指标最优的PID控制器参
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
数设定及性能比较 17
4. 2.1 ISE指标下的参数设定 17
4.2.2 IAE指标下的参数设定 17
4.2.3 ITAE指标下的参数设定 17
4.2.4 ISE指标下的参数设定 19
4.2.5 IAE指标下的参数设定 20
4.2.6 ITAE指标下的参数设定 20
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
1.1 PID控制器的发展
在工业生产的过程中，使用时间最久，生命力最强大的控制方法就是PID控制法，也是直到现在为止，使用最多的控制方法。大多数的反馈回路为了实现控制的目的都会用这种方法或者用较小的变形。今天被大家所熟知的PID控制器，是在19151940年期间产生且得到了一定的发展。尽管从1940年到现在，有很多先进的控制方法出现，但由于PID控制器简单的结构，对模型误差有很强的鲁棒性及操作比较简单，在冶金化工，轻工，机械和电力等工业过程的控制中仍然被大量应用。现在很多国家都在大规模的使用PID调节器。随着PID控制的大量使用，控制理论也得到了进一步的发展和控制手段也在不断的更新，出现了许多建立在现代控制理论基础上的新型控制器，但到目前为止，PID控制仍然是最重要的控制方式。初略的估计，在我国的过程工业中，PID参数自整定控制器的需求量达到50万个。PID调节器的特点是简单的原理，较强的适应性，较强的鲁棒性，且它算法的原理也非常简单, 参数物理意义比较明确,和理论分析体系比较完整。最大的特点是它不需要建立在对象的精确模型上，因为工业过程中精确建模相对比较困难。并且它有较长的应用时期，己经拥有了较多PID控制器参数的调节经验的控制工程师使操作起来就比较简单了。PID调节器的发展一共经历了有三个阶段，一液动式、二气动式、三电动式。现在传统的模拟控制器都在向数字化、智能化控制器的方向发展,数字化、智能化的控制器与传统的模拟控制器相比，有着巨大的优势，比如，控制参数是灵活可变的的，控制策略也是可以灵活改变的等等。
在实际工业生产中常规的PID 控制算法还是我们最常使用的方法。但是由于工业装置的不断扩大，控制回路的不断增多，操作方法也变的相当复杂，使得PID调节器的参数常常不能整定到我们想要的状态，回路控制的效果就不会太好，同时也影响了产品的质量、原料的消耗和能耗， 甚至会影响到工业生产的安全。所以人们对PID的参数整定方法掀起了一阵热潮。这些年来工程师们热衷于研究PID 控制器参数的整定方法,也有多种不同的方法被提出。
1.2 PID参数整定方法
PID 控制器的参数整定,是通过调整控制器的参数, 来完成要求的控制目的。从过去到现在,全世界对PID 控制器参数整定方法已经有了好多年的研究, 有各种各样的方法被提出来,总结一下大概有下面几类:基于控制器自身控制行为的控制器参数在线整定方法，基于被控过程对象参数辨识的整定方法， 基于抽取对象输出响应特征参数的整定方法， 参数优化方法和基于模式识别的专家系统整定方法等。
1.2.1 基于对象参数辨识的整定方法
利用极小化模型与过程之间的误差准则函数在假定一种模型结构的基础上来确定模型的参数是对象参数模型辨识方法也可叫做现代的辨识方法。最小二乘法，梯度校正法和极大似然法是我们最常用的方法。对特性比较分明的被控对象的控制参数整定使用这种方法的话，会有着非常明显的效果。不过这种方法使用起来会相对复杂一点，我们需要使用相当繁琐的试验手段和数学手段，才能得到我们想要的较为精确的数学模型。这种方法还很大程度上限制了被控过程模型。 如果我们不能够用精确数学模型描述，那么这种繁琐的过程是没有一点效果的。所以这种方法一直不能推广开来，让更多的人使用。
至今对过程对象施加阶跃输入信号依然是工程上工程上广泛使用的方法。过程的近似传递函数可以由阶跃响应曲线来确定，我们可以直接把过程对象的阶跃响应测取出来。如果测取出的是相对规则的阶跃响应曲线。 那么近似法，两点法，切线法和半对法都可以非常有效地把近似传递函数导出来。其中由Kupfmuller 提出了一个最为著名方法，就是近似描述对象特性时用一个带纯迟延的一阶惯性环节(first order plus dead time, 缩写是FOPDT) 。如果测取对象的阶跃响应曲线的形状不是很规则的时候。用上面这种方法获得的结果就不是那么理想了。 这个时候我们想要得到的数据就可以通过面积法来获得了。不过面积法需要相对比较大计算量, 并且选择传递函数阶次必须是正确的。。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 PID控制器的发展 1
1.2 PID参数整定方法 1
1.2.1 基于对象参数辨识的整定方法 2
1.2.2 抽取过程对象输出响应特征值的控制器参数整定方法 3
1.2.3 参数优化方法 3
1.2.4 基于模式识别的专家系统整定方法 4
1.2.5 基于控制器自身控制行为的PID 参数整定方法 5
第二章 PID参数控制 7
2.1 PID子模块的介绍 7
2.1.1 比例（P）控制 7
2.1.2 积分（I）控制 7
2.1.3 微分（D）控制 7
2.2 最优PID参数整定简介 8
2.3 最优控制性能指标定义 9
第三章 MATLAB/SIMULINK简介 11
3.1 MATLAB简介 11
3. 2 SIMULINK简介 11
3. 3 SIMULINK的使用 12
第四章 性能指标最优的PID参数整定和性能比较 14
4.1 PID参数设定的原理 14
4.1.1 PI控制器 14
4.1.2 PID控制器 14
4．2 几种性能指标最优的PID控制器参
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
数设定及性能比较 17
4. 2.1 ISE指标下的参数设定 17
4.2.2 IAE指标下的参数设定 17
4.2.3 ITAE指标下的参数设定 17
4.2.4 ISE指标下的参数设定 19
4.2.5 IAE指标下的参数设定 20
4.2.6 ITAE指标下的参数设定 20
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
1.1 PID控制器的发展
在工业生产的过程中，使用时间最久，生命力最强大的控制方法就是PID控制法，也是直到现在为止，使用最多的控制方法。大多数的反馈回路为了实现控制的目的都会用这种方法或者用较小的变形。今天被大家所熟知的PID控制器，是在19151940年期间产生且得到了一定的发展。尽管从1940年到现在，有很多先进的控制方法出现，但由于PID控制器简单的结构，对模型误差有很强的鲁棒性及操作比较简单，在冶金化工，轻工，机械和电力等工业过程的控制中仍然被大量应用。现在很多国家都在大规模的使用PID调节器。随着PID控制的大量使用，控制理论也得到了进一步的发展和控制手段也在不断的更新，出现了许多建立在现代控制理论基础上的新型控制器，但到目前为止，PID控制仍然是最重要的控制方式。初略的估计，在我国的过程工业中，PID参数自整定控制器的需求量达到50万个。PID调节器的特点是简单的原理，较强的适应性，较强的鲁棒性，且它算法的原理也非常简单, 参数物理意义比较明确,和理论分析体系比较完整。最大的特点是它不需要建立在对象的精确模型上，因为工业过程中精确建模相对比较困难。并且它有较长的应用时期，己经拥有了较多PID控制器参数的调节经验的控制工程师使操作起来就比较简单了。PID调节器的发展一共经历了有三个阶段，一液动式、二气动式、三电动式。现在传统的模拟控制器都在向数字化、智能化控制器的方向发展,数字化、智能化的控制器与传统的模拟控制器相比，有着巨大的优势，比如，控制参数是灵活可变的的，控制策略也是可以灵活改变的等等。
在实际工业生产中常规的PID 控制算法还是我们最常使用的方法。但是由于工业装置的不断扩大，控制回路的不断增多，操作方法也变的相当复杂，使得PID调节器的参数常常不能整定到我们想要的状态，回路控制的效果就不会太好，同时也影响了产品的质量、原料的消耗和能耗， 甚至会影响到工业生产的安全。所以人们对PID的参数整定方法掀起了一阵热潮。这些年来工程师们热衷于研究PID 控制器参数的整定方法,也有多种不同的方法被提出。
1.2 PID参数整定方法
PID 控制器的参数整定,是通过调整控制器的参数, 来完成要求的控制目的。从过去到现在,全世界对PID 控制器参数整定方法已经有了好多年的研究, 有各种各样的方法被提出来,总结一下大概有下面几类:基于控制器自身控制行为的控制器参数在线整定方法，基于被控过程对象参数辨识的整定方法， 基于抽取对象输出响应特征参数的整定方法， 参数优化方法和基于模式识别的专家系统整定方法等。
1.2.1 基于对象参数辨识的整定方法
利用极小化模型与过程之间的误差准则函数在假定一种模型结构的基础上来确定模型的参数是对象参数模型辨识方法也可叫做现代的辨识方法。最小二乘法，梯度校正法和极大似然法是我们最常用的方法。对特性比较分明的被控对象的控制参数整定使用这种方法的话，会有着非常明显的效果。不过这种方法使用起来会相对复杂一点，我们需要使用相当繁琐的试验手段和数学手段，才能得到我们想要的较为精确的数学模型。这种方法还很大程度上限制了被控过程模型。 如果我们不能够用精确数学模型描述，那么这种繁琐的过程是没有一点效果的。所以这种方法一直不能推广开来，让更多的人使用。
至今对过程对象施加阶跃输入信号依然是工程上工程上广泛使用的方法。过程的近似传递函数可以由阶跃响应曲线来确定，我们可以直接把过程对象的阶跃响应测取出来。如果测取出的是相对规则的阶跃响应曲线。 那么近似法，两点法，切线法和半对法都可以非常有效地把近似传递函数导出来。其中由Kupfmuller 提出了一个最为著名方法，就是近似描述对象特性时用一个带纯迟延的一阶惯性环节(first order plus dead time, 缩写是FOPDT) 。如果测取对象的阶跃响应曲线的形状不是很规则的时候。用上面这种方法获得的结果就不是那么理想了。 这个时候我们想要得到的数据就可以通过面积法来获得了。不过面积法需要相对比较大计算量, 并且选择传递函数阶次必须是正确的。。
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