课程设计专家PID控制系统simulink仿真课件

内蒙古科技大学

课程设计

题目：专家PID控制系统仿真

学生姓名：张晓宇

学号：1267106302

专业：自动化

班级：自12-3班

指导教师：李仲德

专家PID控制系统仿真

摘要

简单介绍了常规PID控制的优缺点和专家控制的基本原理，介绍了专家PID控制的系统结构，针对传递函数数学模型设计控制器。基于MATLAB的simulink仿真软件进行应用实现，仿真和应用实现结果均表明，专家PID控制具有比常规PID更好的控制效果，且具有实现简单和专家规则容易获取的优点。

论文主要研究专家PID控制器的设计及应用，完成了以下工作：

（1）介绍了专家PID控制和一般PID控制的原理。

（2）针对任务书给出的受控对象传递函数G(s)=523500/(s3+87.35s2+10470s) ，并且运用MATLAB实现了对两种PID控制器的设计及simulink仿真，且对两种PID控制器进行了比较。

（3）结果分析，总结。

仿真结果表明，专家PID控制采用多分段控制，其控制精度更好，且具有优越的抗扰性能。

关键词：专家PID，专家系统，MATLAB，simulink仿真

Expert PID control system simulation

Abstract

The advantages and disadvantages of conventional PID control and the basic principle of expert control are briefly introduced, and the structure of expert PID control system is introduced. Simulink simulation software based on MATLAB is implemented. The simulation and application results show that the expert PID control has better control effect than the conventional PID, and has the advantages of simple and easy to get.

This paper mainly studies the design and application of the expert PID controller:

(1) the principle of PID control and PID control is introduced in this paper.

(2) the controlled object transfer function G (s) =523500/ (s3+87.35s2+10470s), and the use of MATLAB to achieve the design and Simulink simulation of two kinds of PID controller, and the comparison of two kinds of PID controller.

(3) result analysis, summary.

The simulation results show that the control accuracy of the expert PID control is better than that of the control.

Key words:Expert PID , MA TLAB, expert system, Simulink, simulation

目录

摘要 ......................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 第一章引言 . (2)

1.1 研究目的和意义 (2)

1.2国内外研究现状和发展趋势 (3)

第二章PID控制器综述 (3)

2.1常规PID控制器概述 (3)

2.2专家PID控制器 (4)

第三章专家PID控制在MATLAB上的实现 (5)

3.1简介 (5)

3.2设计专家PID 控制器的实现方法 (5)

3.3.专家PID控制器的S函数的M文件实现 (7)

3.4专家PID控制器的simulink设计 (8)

3.5专家PID控制和传统PID比较 (13)

第四章结论 (14)

4.1专家PID控制系统的优缺点及解决方案 (14)

4.2最终陈述 (14)

第一章引言

近十几年，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现已成为工业过程控制的重要组成部分。智能控制与常规PID控制相结合，形成所谓智能PID控制，这种新型的控制方式已引起人们的普遍关注和极大兴趣，并已得到较为广泛的应用。

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。在PID控制中，一个至关重要的问题是PID参数(比例系数、积分时间、微分时间)的整定。参数整定的优劣不仅会影响到控制质量，而目还会影响到控制系统的稳定性和鲁棒性。实际工业生产过程往往具有非线性、时变等不确定性干扰，常规PID控制器经常出现参数整定不良、控制性能欠佳，且对运行工况的适应性较差等情况。

针对以上问题，长期以来，人们一直在寻求PID控制器的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。专家智能自整定PID控制器是将专家控制与常规PID控制相结合而具有的自整定、自学习等功能，可以用来描述复杂系统的特性，并通过学习和自组织得到相应的控制策略。

论文以Matlab为基础，研究了两种控制算法：一般的PID和专家PID算法，通过对比研究，分别指出了两种控制器的特点及存在问题。

1.1 研究目的和意义

目前，智能控制已广泛地应用于自然科学和社会科学的各个领域，如:复杂的工业过程控制、机器人与机械手的控制、航天航空控制、交通运输控制等，尤其当被控对象模型包含有不确定性、时变、非线性、时滞、藕合等难以控制因素、采用其它控制理论难以设计出合适并符合要求的系统时，都有可能应用智能控制理论获得满意的解决。

专家控制是智能控制的一个分支，是先进控制的一种。其实质是利用专家经验来设计控制器，使控制器具有智能。本文的目的是用两种PID算法来实现PID控制在快速系统中的仿真及应用。

1.2国内外研究现状和发展趋势

目前，专家PID广泛应用于自动化仪表、工业控制、动力装置控制等各个领域。并且随着控制理论和计算机软硬件技术的不断发展和传感器集成化程度的提高，专家智能PID控制必将是极有发展前途的研究和应用方向。

近年来，人们普遍认为:基于知识和经验的专家系统、基于模糊逻辑推理于计算的模糊控制、基于人工神经网络的神经网络控制及以上方法的交叉与融合，将是今后的研究热点。

第二章PID控制器综述

2.1常规PID控制器概述

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID 控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

2.2专家PID控制器

概括的讲，智能控制就是拟人智能的控制，也就是说，所设计的控制系统不仅能自动地处理数据、信息，而且能处理知识，具有推理、判断、决策等能力，是人工智能、计算机技术与控制理论相结合的控制。

专家控制系统是智能控制的主要内容之一，建立在控制理论和人工智能技术基础之上，为工业自动化控制的系统设计提供了新的方法。

与一般的经典控制系统相比，专家控制系统的基本特性，是基于知识的结构和处理不确定性问题的能力。尽管己有许多方法来提高经典控制系统处理不确定性问题的能力，如鲁棒控制、自适应控制等，但是它们仍然难以应用到工业过程中.这是因为传统先进控制系统采用的是纯粹的分析结构、线性和时不变约束等，而且难以被用户理解。通过引入专家系统技术，使系统具有灵活性、可靠性和处理不确定信息的能力:可以进行预测、诊断错误、给出补救方案，并且监视其执行，以保证控制性能。

专家PID控制是在常规PID控制的基础上，根据专家及操作人员的实际经验，针对具有大滞后、时变、非线性系统而提出的控制方法。其主要特点是分区进行不同算法的调节，它既有Bang-Bang控制（最优控制）的快速性，又有迟滞控制的稳定性和抗干扰能力。

专家整定PID控制器，把人的判断技巧与推理能力参与到控制系统设计中去。在专家整定PID控制系统中，PID参数的整定工作由专家系统实现，控制信号仍然由PID控制器给出，专家系统只是间接地影响控制过程。

总之，专家PID控制的思想就是以误差e和误差变化率e·为约束，对不同阶段的PID参数进行智能整定，以适应对动态性能和稳态精度都较高的控制系统。

第三章专家PID控制在MATLAB上的实现

3.1简介

专家控制(Expert Control)的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式利用这些知识来设计控制器。利用专家经验来设计PID参数便构成专家PID控制。

任何一个控制系统都是由被控对象和控制器两大部分构成。无论是经典控制理论还是现代控制理论，它们主要研究的目标就是被控对象的动态行为。而控制器的设计通常是在被控对象数字模型已知的情况下进行的。但是在多数情况下，建立被控对象的数字模型并不是一件容易的事情，尤其是当对象具有非线性，时变性和分布参数等特性时，数字模型的建立就更加困难。

PID控制算法由于其结构简单、物理意义明确、鲁棒性强等显著的优点，使它在工业控制中处于主导地位，尤其适用于可以建立精确数学模型的确定性控制系统。然而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性等特点，难以建立精确的数学模型，应用常规PID控制器不能达到理想的控制效果；在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规PID控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工作情况的适应性很差。因此，常规PID控制的应用受到限制和挑战。因此，人们对PID控制做了各种改进工作。

3.2设计专家PID 控制器的实现方法

令e(k)表示离散化的当前采样时刻的误差值，e(k-1)、e(k-2)分别表示前一个和前两个采样时刻的误差值，则有：

Δe(k)=e(k)-e(k-1)；(3-1) Δe(k-1)=e(k-1)-e(k-2)(3-2) 专家PID控制器主要由专家判断组成，根据误差e(k)及其变化Δe(k)，可设计专家PID

控制器，该控制器可分为以下5种情况进行设计：

(1)当|e(k)|>M1时，说明误差已经很大，控制器输出应按照最大(小)输出，以迅速调整误差，使误差绝对值以最大速度减小。

(2)当e(k)Δe(k)≥0时，说明误差正朝绝对值增大方向变化，或者误差为某一常值；此时，如果|e(k)|≥M2，说明误差也较大，可考虑实施较强的控制作用，以达到使误差绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差的绝对值，控制器输出为：

错误！未找到引用源。(3-3) 此时，如果|e(k)|

错误！未找到引用源。(3-4)

(3)当e(k)Δe(k)<0且e(k)Δe(k-1)>0，或e(k)=0时，说明误差绝对值朝减小方向变化，或已达到平衡状态，可考虑保持控制器输出不变。

(4)当e(k)Δe(k)<0且e(k)Δe(k-1)<0时，说明误差处于极值状态，如果此时误差绝对值较大，即|e(k)|≥M2，可实施较强的控制作用：

u(k)=u(k-1)+k1k p em(k) (3-5)如果|e(k)|

u(k)=u(k-1)+k2k p em(k)(3-6)

(5)当|e(k)|≤ε时，说明误差绝对值很小，此时加入积分，减少稳态误差。

u(k)=u(k-1)+k p[e(k)-e(k-1)]+k i e(k) (3-7) 由上述规则可知, 专家PID 算法本质上是非线性的, 能较好地克服常规PID 的缺点。以上规则式中：

u(k)—第k次控制器的输出；

u(k-1)—第k-1次控制器的输出；

k1—增益放大系数，k1>1；

k2—抑制系数，0

M1，M2—设定的误差界限，M1>M2；

ε—任意小的正整数；

em(k)—误差e的第k个极值。

3.3.专家PID控制器的S函数的M文件实现

根据专家PID的控制原理，以传递函数G（s）=523500/(s3+87.35s2+10470s) 为例进行设计。设计其实现代码主要部分如下：

以M文件程序建立S函数控制子程序，与在之后的被封装的子系统框图建立联系，主要过程见后面的图：

3.4专家PID 控制器的simulink 设计

下图为用simulink 各部件图库等简历的主系统框图和子系统框图：

被封装的子系统：

S函数连接界面，zxy为函数名：

传递函数设置框：

封装编辑：

显示字

参数及其类型的添加，编辑和连接：

映射表：

系统封装图：

上半部分为专家PID控制系统，输出波形图为上半图，参数设置P=0.6，

I=0.03，D=0.02。

下半部分为一般PID控制系统，输出波形图为下半图，参数设置P=0.8，D=1，I=0。

3.5专家PID控制和传统PID比较

从仿真结果可以看出：

专家PID控制和传统PID控制均能达到良好的效果。但是从控制系统的上升时间和调整时间方面来看，虽然两种PID控制系统的调整时间都不超过1s，专家PID控制系统的上升时间tr为0.075s，调整时间为0.08s；传统PID控制系统的上升时间为0.08s，调整时间为0.2s。

总体来看，专家PID控制系统要优于传统PID控制系统。专家PID控制是基于专家规则来实现对系统控制的，根据专家规则使得系统控制细化，从而实现了较为优越的控制效果。但是专家PID控制系统对控制规则的设置却是相当困难的，并需要大量的经验作为基础，相比起来，传统PID控制要简单多了。

第四章结论

4.1专家PID控制系统的优缺点及解决方案

(1)专家PID控制系统，因为其采用多分段控制规则进行系统控制，因此其可以得到较平滑的响应曲线，而且分段越多，控制系统就会越精准。但是问题也在此，即：分段的阈值设置及各个阈值段的规则设置，这些阈值基本都是经验值，因此对这些阈值的设置相对来说是非常困难的，必需通过大量的实验才能得出。

(2)针对阈值的设置，还要指出的是，对各个阈值段规则的设置必需条理清晰，井然有序，否则很容易使程序混乱，并导致控制结果达不到要求，因此，基于规则部分的程序设置必需要做到精且细。

(3)专家PID控制的缺点，其自适应性差，并没有达到真正意义上的智能，当系统参数发生变化时，如果还使用相同的专家PID控制规则，则得得不到理想的效果。要想使控制效果达到要求，必需对不同的控制对象进行相应的设置。

总之，专家PID控制系统具有稳定、精确等优点，但因其算法设计所要求的经验知识很多，使其实现变得相对困难。所以对专家控制系统的深入研究是至关重要的。4.2最终陈述

本设主要研究了以下内容：

(1)专家PID控制与传统PID控制的原理与控制算法；

(2)运用MATLAB工具对两种PID控制算法进行simulink程序设计及仿真，并对程序设计过程中的一些问题进行了分析；

(3)分析了专家PID控制与传统PID控制的优缺点。

通过以上研究得出了以下结论:

(1)传统PID控制采用简单的分区控制，选取误差界限值为限，将控制器的控制方法分为PD控制或PID控制，而其误差界限值的选取是非常重要的，如果选取不当，会直接影响控制器的控制效果；

(2)专家PID控制的仿真是通过专家规则来自动在线整定PID参数。实时的获得最优的PID参数。专家PID控制的应用体现了专家PID控制良好的控制效果。但本文采用的专家PID控制规则还小够精细.主要目的在于研究其原理和实现过程如果进一步整定专家控制规则将可以得到更好的控制效果。在进行专家规则设置的同时，还对阈值的设置进行了分析，相同的控制规则下，如果将阈值段的大小进行改动，所得的控制结果是不同的，因此，通过经验知识进行阈值的设置是很重要的；

(3)专家PID控制器主要通过其专家经验，对PID参数进行实时调整，以实现对被控对象的有效控制。其采用分段控制规则对被控对象进行控制，其阈值可根据实际经验来调整，使系统的控制精度更高，且有效的实现了系统的平滑性，并能使系统快速稳定的运行。

而传统PID控制虽然也采用分段控制，但是其只是以系统误差界限值为依据，将控制系统分为PD控制或PID控制两种，其规则较专家PID要简单的多，因此，传统PID 控制系统的精度不如专家PID控制系统。但是其误差界限值的设置要比专家PID控制的规则设置简单很多。

(4)文中将专家PID控制与传统PID控制进行了对比，然而，在专家PID控制规则不够精细的情况下，其控制效果又不如传统PID的控制效果。所以，对于专家PID控制算法来说，专家的经验是至关重要的。它关系到整个控制系统性能的好坏。其难点也正在于专家经验的获取。

总之，智能控制是人类与科学技术发展的结晶，是控制系统历史发展的一个新的重要趋势。本课题利用专家系统的技术，解决PID控制范围内的问题，这仅是对理论应用

于实践是一个探索，渴望的是能在实际工业过程控制的应用中得到相应的验证。

参考文献

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[2] 贺居锋. 基于MATLAB/Simulink/GUIDE的PID工具箱的设计[D].东北大学. 2005,2

[3] 李国勇. 智能控制及其MATLAB实现[M]. 电子工业出版社. 2005.1

[4] 夏玮. 李朝晖,常春藤. 控制系统仿真与实例详解[M]. 人民邮电出版社. 2008.11