非线性PID控制系统的设计
本科毕业论文PID温控系统的设计及仿真
CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 本科生毕业论文题目PID温控系统的设计及仿真学生指导教师学院信息科学与工程学院专业班级完成时间年月摘要温度是工业控制的主要被控参数之一。
可是由于温度自身的一些特点，如惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型等，给控制过程带来了难题。
要对温度进行控制，有很多方案可选。
PID 控制简单且容易实现，在大多数情况下能满足性能要求。
模糊控制的鲁棒性好，无需知道被控对象的数学模型，且在快速性方面有着自己的优势。
研究分析了PID 控制和模糊控制的优缺点，把两者相互结合，采用了用模糊规则整定P K 、I K 两个参数的模糊自整定PID 控制方法。
本研究以电烤箱为控制对象，用MATLAB 软件对PID 控制、模糊控制和参数模糊自整定PID 控制的控制性能分别进行了仿真研究。
仿真结果表明PID 对于对象模型复杂和模型难以确定的控制系统具有很大的局限性，不能满足调节时间短、超调小的技术要求。
由于模糊控制的理论（如量化因子和比例因子的确定问题）并不完善，其可能获得的控制性能无法把握，而且模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。
参数模糊自整定PID 控制吸收前两种方法的长处，满足了调节时间短、超调量为零且稳态误差较小的控制要求。
因此本论文最终确定采用参数模糊自整定PID 控制方案。
本系统硬件采用了以 AT89C52 单片机为核心的温度控制器，选用 k 型热电偶为温度传感器结合MAX6675芯片构成前向通道，同时双向晶闸管和SSR 构成后向通道，由按键、LED 数码显示器及报警单元等组成人机联系电路。
关键词：单片机，PID ，模糊控制，仿真ABSTRACTTemperature is one of the main parameters in the industrial process control.Yetthere are difficultiesto have a good control oftemperature becauseof the characteristics of the temperature itself:the temperature inertia is great, its time-lag is serious and it is hardto establish an accurate mathematical model.There are many methods to be selected in order to control a system. The PID controlis simple,easily realized andin most casesit meetsthe control demand. Fuzzy control has the advantage of quickness,itsrobustness is good and there is no needto know theobject ’smathematical model.This paper analyses the advantages and disadvantages of both PID control and fuzzycontrol and es to the method of bining them together,fuzzy self-tuningPID control. In this method,P K and I K of the PID controller are adjusted by fuzzy control rules ．In the paper simulations of PID control, fuzzy control and fuzzyself-tuning PID control are done by MATLAB to control a electric oven.Conclusions are that for those control objects of which models are plicated or hard to establish,the PID method has limitation and doesn ’t meet the control demand. As the fuzzy control method theory is not perfect, a good control performance cannot be expected. And it could easily cause the steady-state error for it is restricted by limited grades of the fuzzy rules.Finally the fuzzy self-tuning PID control method is selected, since it meets the control demands.In this paper AT89C52 is used as controller, toward access is posed of K which is used as the temperature sensor and MAX6675.Backward access is posed of bidirectional thyristor and SSR. Man-machine circuit is posed of keyboard, LED and warning unit, etc.Key words ：Micro Controller, PID Control, Fuzzy Control, Simulation目 录摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1 课题的提出及意义11.2 控制系统背景介绍11.3 当代温控系统及智能算法2第二章温控系统的设计52.1 温控系统的总体设计52.1.1 温控系统设计的基本原则52.1.2 温控系统的结构及设计62.2 温控系统的硬件设计72.2.1 前向通道设计72.2.2 后向通道设计102.2.3 人机通道设计11小结15第三章系统控制方案163.1 PID 控制163.1.1 PID的概述163.1.2 PID 控制的基本理论及特点163.2 模糊控制183.2.1 模糊控制的概述183.2.2 模糊控制的基本原理及特点183.3 模糊PID 控制19小结21第四章仿真研究224.1 MATLAB及其模糊逻辑工具箱和仿真环境simulink224.2 仿真和优选234.2.1 控制对象模型234.2.2 仿真和方案选择25小结32第五章总结与展望335.1 主要工作容335.2 工作小结335.3 存在的问题及未来的方向34结束语35参考文献36第一章绪论1.1 课题的提出及意义温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。
工业控制中的PID控制器设计与优化
工业控制中的PID控制器设计与优化在工业控制系统中，PID控制器已经成为了最常用的控制器之一，也是最成熟的控制方法之一。
PID控制器是一种闭环控制器，可以通过对系统的反馈信号进行计算，将输出信号与设定值进行比较，从而实现对系统的精确控制。
本文将探讨PID控制器的设计和优化方法，以及如何在实践中应用PID控制器以提高工业生产效率和质量。
PID控制器的原理PID控制器是由比例、积分、微分三个部分构成的，它们的作用分别是调整输出信号的大小、积累控制误差并进行补偿、以及根据控制误差的变化速度进行调整。
比例控制的作用是根据误差大小来调整输出信号的大小，积分控制则是根据误差的积累量来进行输出调整，微分控制则是根据误差的变化速度来进行输出调整。
PID控制器的输出信号的计算公式为：输出信号=Kp×误差+Ki×误差积分+Kd×误差微分其中，Kp、Ki、Kd则是PID控制器的三个参数，也是影响PID控制器输出信号的三个因素。
PID控制器的设计PID控制器的设计需要根据具体的工业控制系统进行调整。
首先，应该对系统的特性进行了解，例如它的惯性、时滞、非线性程度等等。
对于不同的系统，可以采用不同的PID控制器的分配，以满足不同的控制需求。
在确定PID控制器的参数时，可以通过以下步骤来进行：1.确定Kp：通过调节比例控制的参数，使得系统的输出能够尽可能地接近设定值。
2.确定Ki：将比例控制的参数调整到适当的位置之后，可以开始调节积分控制的参数。
通常情况下，如果系统的静态误差比较大，则需要增加Ki的值，以允许输出信号的积累，从而降低误差。
3.确定Kd：一旦比例和积分参数确定下来，就可以调整微分控制的参数了。
微分控制主要用于防止系统产生频繁的起伏，因此在一些高频率或时域响应较差的系统中，需要加入微分控制来保持稳定性。
通常情况下，可以通过增大微分控制参数的值来减少系统中的抖动。
PID控制器的优化PID控制器的优化可以通过以下几种方法来实现：1.死区补偿：当控制系统存在死区时，控制器的误差补偿量会出现偏差。
一种非线性PID控制器的设计与整定
一种非线性P I D控制器的设计与整定3周 琼 褚 健 高 峰(浙江大学工业控制研究所,杭州,310027) 摘要:介绍了根据一类普遍的非线性设计思想所设计的一种非线性模块,并用这种模块构成了非线性P I D控制器,同时对于控制器中的各个待定参数给出了经验性整定公式,并进行了仿真与实验验证。
关键词:P I D 非线性 控制器 设计 整定 目前在工程界中用于实际控制的控制算法仍以P I D居多(据一个调查报告指出,至今在过程控制中用的84%仍是纯P I D调节器[1]。
而与此同时,各种新的现代控制算法层出不穷,却大多无法应用于实际过程。
这并不能归结为控制工程界的学术结构问题,因为受过现代控制算法熏陶的控制工程师已经源源不断地进入了控制工程界。
事实证明,P I D 这种经典的控制方法仍然存在一些优点与思想方法值得我们探讨。
P I D这种经典控制律所提供的思想方法就是设计一些控制模块,依据对象的一些响应特征来组合出控制器。
这种思想方法与目前流行的各种控制器设计方法相比较,最突出的特点就在于它不依赖于对象精确的数学模型,可以从根本上摆脱了工业过程建模,尤其是建立精确模型的困难。
当然,P I D这种控制模块就是偏差的比例、积分和微分这3个著名的模块。
控制律就是这3个模块的线性组合。
而这种纯线性的控制器有其根本的难以克服的基本矛盾。
众所周知,作为P I D,若要超调小,则难以保证快速性的指标;而若要动态过程快,则超调量将必然过大。
这一点想仅凭线性控制器自身加以克服不太可能。
更何况,当初之所以仅设计3个线性模块的线性组合,也是由于当时的硬件、技术条件等加以限制。
今天,计算机技术飞速发展,有了技术条件的保障,我们完全可以想到设计一些非线性控制模块,并用这种非线性控制模块以合适的方式组合出合适的控制律。
本文正是基于这样的思想,力图找到合适的非线性控制模块以及它们之间恰当的组合方式,以便得到最佳的控制律。
1 非线性P I D1.1 对象指标 3国家教委博士点基金资助项目 收稿日期1997-02-273 R.W.Serth and W.A.H eenan,Gro ss E rro r D etecti on and D ata R econciliati on in Steamm etering System s,A I ChEJ.,V o l132,1986,733～7424 Jay C.Knepper and John W.Go rm an,Statistical A nal2 ysis of Constrained D ata Sets,A I ChE J.,V o l126,1980.260～2645 S.N arasi m han and R.S.H.M ah,Generalized L ikeli2 hook R ati o M ethod fo r Gro ss Eerro r Identificati on,A I ChE J,V o l.33,1987.1514～15216 R.S.H.M ah and A. C.T am haane,D etecti on of Gro ssE rro rs in P rocess D ata,A I ChE J.V o l.28,1982.828～830控制系统 AU TOM A T I ON I N R EF I N ED AND CH E M I CAL I NDU STR Y 我们对文献[2]中提出的一些系统指标加以分析,可以看出,有些是描述开环性能,有些描述闭环性能,其中,标准过程增益K13用于描述开环系统的可控性。
PID控制算法介绍与实现
PID控制算法介绍与实现PID控制算法是一种经典的反馈控制算法，通过测量控制系统的误差值，调整控制器输出来实现目标控制。
PID是比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分的缩写，分别代表了系统的比例响应，积分响应和微分响应。
在PID算法中，比例控制（P）部分根据误差的大小反馈调整控制输出，使误差减小。
积分控制（I）部分根据误差的累积值反馈调整控制输出，用来消除系统的稳态误差。
微分控制（D）部分根据误差的变化率反馈调整控制输出，用来抑制系统的振荡和超调。
\[u(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \cdot \int_0^t e(\tau) d\tau + K_d \cdot \frac{d}{dt} e(t)\]其中，\(u(t)\)表示控制输出，\(e(t)\)表示误差，\(K_p\)、\(K_i\)和\(K_d\)分别表示比例、积分和微分系数。
在实际应用中，这些系数需要通过试验或者调整来获得最佳的控制效果。
另一种实现方式是使用现代控制器或者PLC等设备来实现PID算法。
这些设备通常具有多个输入输出端口，能够直接与各种传感器和执行机构进行通信。
它们通常具有丰富的PID算法控制函数，并提供了可调参数和控制策略等高级功能。
在PID控制算法的实现中，需要注意一些常见的问题和技巧：1.PID参数调整：PID算法的效果好坏与调整参数密切相关。
传统的调参方法是通过试验和经验来调整参数，但这种方法耗时且不精确。
现代的方法可以通过自适应控制和优化算法等来自动调整PID参数，以达到最佳效果。
2.非线性系统：PID算法最初设计用于线性系统，对于非线性系统可能会产生较大的误差。
针对非线性系统，可以使用先进的控制算法如模糊控制和自适应控制来改进PID算法的性能。
3.鲁棒性设计：PID算法对参数变化和扰动敏感。
在实际控制中，往往存在参数变化和扰动的情况，需要通过鲁棒性设计来抵抗这些干扰，保证系统的稳定性和控制性能。
自动控制原理第九章非线性控制系统PPT课件
非线性系统的数学描述
01
02
04
非线性微分方程
非线性微分方程是描述非线性系统动态行为的数学模型之一。
它通常表示为自变量和因变量的函数，其中包含未知函数的导数。
非线性微分方程的解可以描述系统的输出响应与输入信号之间的关系。
解决非线性微分方程的方法通常包括数值解法和解析解法。
03
非线性传递函数是描述非线性系统的另一种数学模型。
非线性系统的特点
研究非线性系统的方法包括解析法、数值法和实验法等。
总结词
解析法是通过数学推导和求解方程来研究非线性系统的行为和特性。数值法则是通过数值计算和模拟来研究非线性系统的行为和特性。实验法则是通过实际实验来研究非线性系统的行为和特性，通常需要设计和构建实验装置和测试系统。
详细描述
非线性系统的研究方法
它类似于线性系统的传递函数，但包含非线性项和饱和项。
非线性传递函数可以表示系统的输入输出关系，并用于分析系统的性能和稳定性。
分析非线性传递函数的方法包括根轨迹法和相平面法等。
01
02
03
04
非线性传递函数
非线性状态方程是描述非线性系统动态行为的另一种数学模型。
非线性状态方程可以用于分析系统的稳定性和动态行为，并用于控制系统设计。
非线性系统仿真软件
非线性系统仿真实例是通过计算机仿真技术对实际非线性系统进行模拟和分析的实例，它可以帮助用户更好地理解非线性系统的特性和行为，并验证仿真模型的正确性和有效性。
常见的非线性系统仿真实例包括电机控制系统、飞行器控制系统、机器人控制系统等，这些实例可以帮助用户更好地了解非线性系统的控制方法和优化策略。
飞行器控制系统
化工过程控制系统
时滞系统非线性PID控制器设计与仿真5-17
时滞系统非线性PID控制器设计与仿真摘要时滞系统作为复杂控制系统中的一个重要部分广泛存在于现代的工业过程中。
同时，它也是控制理论应用的一个重要领域，因此对于时滞系统的研究有其很重要的意义。
由于时滞环节所固有的特性决定了其控制的复杂性，因此本文提出了时滞系统的控制方法研究及其控制器设计。
首先，文章分析了滞后环节对系统性能的影响，探讨了几种基于数学模型的常规控制方法:微分先行、自整定PID控制，Smith预估控制，大林算法以及智能控制等。
虽然这些算法比较成熟，但仍然存在着对系统模型变化比较敏感的缺点，所以文章对这些常规的控制方法进行了理论上的阐述并对其进行了性能上的分析比较，从而降低了由于模型变化给系统带来的不利影响，提高了系统的鲁棒性[4]。
然后，总结了基于数学模型的常规控制方法所固有的缺陷：控制系统对模型变化比较敏感，提出了非线性PID控制方法。
由于非线性PID控制在解决模型变化对系统带来不利影响方面有其独特的优越性;而PID算法有其固有的优点并广泛应用于目前的工业过程中; 非线性PID正是结合了两者各自的优点，然后就可以根据系统模型参数的变化智能性地调节PID参数，使系统的控制性能得到了提高，Matlab仿真研究也表明此种方法的可行性。
关键词：时滞系统，非线性PID，Matlab仿真Design and Simulation of Nonlinear PID Controller forTime-delay SystemABSTRACTTime-delay system,as an important part of complex control system,widely exists in modern industrial process.At the same time,time-delay system is also an important field for the application of the control theory.So the research to time-delay system is also an important field for the application of the control theory.So the research to time-delay system has a very important meaning.However,due to the inherent characteristic of time-delay tache,which decides a complex control method in it.So the article brings forward the control method research and model design to time-delay system.Firstly, the paper analyzes the influence which time-delay tache brings to performance and discusses several kinds of control methods based on mathematic model,such an differential antechdence, Smith predictor, internal model control and so on. These methods are comparatively sensitive to the change of system model. So the paper carried out a further analysis to these common control methods on theory and performances are also improved, so as to reduce side effects caused by system model variation, enhancing the robustness of control system.Secondly, the paper summarized the inherent shortcoming of common methods which are based on mathematics model, the shortcoming is that the control system is sensitive to model changing. So the paper brings nonlinear PID control system. Because nonlinear PID control has its particular advantages in settling bad influences which model changing brings to control system, and that, PID method has its own advantages and is widely used in actual industrial process. Nonlinear PID control just combines respective advantages. .Afterward, it is able to adjust the PID parameters intelligentizedly based on model changing, accordingly enhancing system performances.Keywords:Time-delay system,Nonlinear-PID,MATLAB1时滞系统控制发展历程综述1.1时滞系统概述：时滞系统是指作用于系统上的输入信号或控制信号与在其作用下系统所产生的输出信号之间存在着时间延迟的一类控制系统[1]。
模糊PID控制原理与设计步骤
模糊PID控制原理与设计步骤模糊PID控制（Fuzzy PID control）是在PID控制基础上引入了模糊逻辑的一种控制方法。
相比传统的PID控制，模糊PID控制能够更好地适应系统的非线性、时变和不确定性等特点，提高系统的性能和鲁棒性。
设计步骤：1.确定系统的模型和控制目标：首先需要对待控制的系统进行建模，确定系统的数学模型，包括系统的输入、输出和动态特性等。
同时，需要明确控制目标，即系统应达到的期望状态或性能指标。
2.设计模糊控制器的输入和输出变量：根据系统的特性和控制目标，确定模糊控制器的输入和输出变量。
输入变量通常为系统的误差、误差变化率和累积误差，输出变量为控制力。
3.确定模糊集和模糊规则：对于每个输入和输出变量，需要确定其模糊集和模糊规则。
模糊集用于将实际变量映射为模糊集合，如“大、中、小”等；模糊规则用于描述输入变量与输出变量之间的关系，通常采用IF-THEN形式，如“IF误差大AND误差变化率中THEN控制力小”。
4.编写模糊推理和模糊控制算法：根据确定的模糊集和模糊规则，编写模糊推理和模糊控制算法。
模糊推理算法用于根据输入变量和模糊规则进行推理，生成模糊的输出变量；模糊控制算法用于将模糊的输出变量转化为具体的控制力。
5.调试和优化：根据系统的实际情况，调试和优化模糊PID控制器的参数。
可以通过试错法或专家经验等方式对模糊集、模糊规则和模糊函数等进行调整，以达到较好的控制效果。
6.实施和验证：将调试完成的模糊PID控制器应用到实际系统中，并进行验证。
通过监控系统的实际输出和期望输出，对模糊PID控制器的性能进行评估和调整。
总结：模糊PID控制是一种将模糊逻辑引入PID控制的方法，能够有效地提高系统的性能和鲁棒性。
设计模糊PID控制器的步骤主要包括确定系统模型和控制目标、设计模糊控制器的输入输出变量、确定模糊集和模糊规则、编写模糊推理和模糊控制算法、调试和优化以及实施和验证。
通过这些步骤，可以设计出较为优化的模糊PID控制器来实现系统的控制。
非线性PID控制系统设计
础 。在计 算机 技 术和微 电子技 术使 用 广泛使 用 之前 ， 决定 非线性 ＰＤ功 能和效 果 的主要 是各 种元 器件 ，由放 大器 、 Ｉ 关键 词 ： 线 性 ＰＤ 控 制 系统 设 计 非 Ｉ 加 法器 、 前滞 后 网络形 成 ＰＤ结构 。在 计 算机 技术 开 始 超 Ｉ １概 述 广 泛应 用后 ， 非线性 ＰＤ控 制 系统 的性 能不 断提 高。 在计 Ｉ 传 统 的 线性 ＰＤ控 制 系统 在 给我 们 的相 关工 程 和 实 Ｉ 算机 技术 的充 分应 用 的前 提 下 ，微 分信 号 产生 的质 量 更 际 工 作 提供 很 多 便利 的 同时 ，也 存在 不少 应 该 改进 的 问 高 ， 破 了传 统 非 线性 ＰＤ控 制 系统 的局 限性 ， 自矫 正 打 Ｉ 把 题。 非线性 ＰＤ控制 系统 的 巨大优 势 主要体 现在 改善传 统 ｌ 技术 、 模糊 控 制 、 家 控 制 、 能控 制 等 用 于 ＰＤ， ＰＤ 专 智 Ｉ 使 ｌ 的 ＰＤ控 制器 时所表 现 出来 的稳 定性 和快 速性 等 方面。 Ｉ 由 的性 能不 断地提 高。 于 各 方面 技术和 需要 的快 速发 展 ， 目前 的 非线性 ＰＤ控制 Ｉ 非线 性 ＰＤ 控制 器 的基 本 思 路是 使 用 一种 新 的 非线 Ｉ 系统 在使 用上 的局 限性 已经开 始显 现。 但长 时期 以来 ， 在 性机 构— — 非 线性 跟 踪 ／ 分器 来 产生 控 制 新 的基 本 要 微 工业 控制 的大领 域里 ， 线性 的 ＰＤ控 制是 一种 得到 广泛 非 Ｉ 素 ， 利 用这 些新 的要 素 的“ 并 非线 性组 合 ” 方式 来 改进 经典 业界 认可 ， 并且 历史 及其悠 久 ， 效果 显著 的控制 方式 。 Ｉ ＰＤ调 节器 ， 其适 应性 和 鲁棒 性得 以大 幅度 提 高。 主要 Ｉ 使 ２ 非线性 Ｐ Ｄ控 制 系统的特 点 和应用 现状 Ｉ 的方法和 过程 包括 以下几 个 方面 ：对输 入信 号进 行 处理 ， ＰＤ控 制 系统 仍 然 是 目前 工业 界 主要 采 用 的控 制 方 Ｉ 对量 测信 进行 滤 波 ，利 用 非线 性 Ｐ Ｄ控 制 器 产生 控 制 Ｉ 式 ， 冶 金 、 工 、 工 等领 域都 有 着 广 泛 应 用 。 非 线 性 在 化 轻 量。 Ｐ Ｄ的主 要特 点便 是 结构 简 单、 Ｉ 易于 操作 调 整并 且具 有 一 建 立非线 性 ＰＤ控 制器模 型 常用 的 方法是 建 立模型 ， Ｉ 定 的鲁 棒性 。 虽然 已经 有一 些新 的现 代控 制 算法 出现 ， 但 而 建 立模 型 常 用 的方 法是 通 过修 改常 规 ＰＤ 控 制器 的系 Ｉ 是 非线性 ＰＤ仍 然是主 要 算法。 Ｉ 长期 以来 的大量 实践 经验 数 Ｋ 、 ｉＫ Ｄ Ｋ、 ｄ来 实现。 而 对于 修 改 Ｐ Ｄ控 制器 系数来 说 ， Ｉ 和 事 实表 明 ，这种 经 典 的控 制 算 法仍 然 具 有 强 大 的生 命 当前 采 用 的最 主 要 的方 式是 根据 系统 输 出偏 差 ｅ的大 小 力 。它的 思想 方法与 当今流 行 的各种 控制器 的设计 方法相 来 实 时生 成相 应 函数 ， 然后 以这 三个 函数 来代 替 常 规 ＰＤ Ｉ 比 ，最 显著 的特 点是 它不依 赖于 对 象精确 的数 学模 型 ， 可 控制器 的系数 。研 究过 程发 展到今 天 ， 个生 成 过程 究 竟 这 以从根 本 上摆 脱 工业过 程 建模 ， 其是 建 立精确模 型 的 困 符合 什么 样 的规律 ， 就是说 生 成 系数 的 函数 究 竟是如 何 尤 也 难 。传 统 的非 线性 ＰＤ 的控制 方式 主 要属于 事后 控 制 ， Ｉ 该 取得 的 ，并 没 有 固定 的公 式 可利 用 ，这 也 是 建 立 非线 性 控 制 在 实践过 程 中容 易 出现一 些 问题 ， 比如 可 能会 引起控 ＰＤ控 制器模 型 的关键。得 出这 几个 函数 的 方法一般 是通 Ｉ 制 回路 自激 震荡 ， 也会 引起 瞬态 互调 的失 真 ， 被控 对 象 过 分析 常 规 ＰＤ性 能 ，从 而获得 非线 性 ＰＤ 的可用 模型 。 使 ｌ Ｉ 出现 损 害 的几率 更高 。近 年来 ， 管是 在理 论 上还 是在 技 通 过最 后 仿 真可 知 这种 方法 得到 的结 果也 是 具 有 很 高 的 不 术上 ， 线性 ＰＤ得 以快速 发 展 ， 非 Ｉ 常规和 传 统 的控 制 系 统 精确 性 的。 与现 代 新兴 的 方法 结合在 一 起 ， 已经 使 系统控 制 的质量 得 常 规 线性 ＰＤ控 制 方法 的关键 是 通 过 合理 调 整 误 差 Ｉ 以大幅 度 提高 。另 外 ， 天 的计 算机 技术 已经 得 到长足 发 信 号 的 比例 、 分、 分增 益 大小来 对 系统 实施 有 效控 制。 今 微 积 展 ， 技 术 条件 上 有 更加 有 力 的 保 障 ， 全 可 以在 这 些 基 设 计 中减 小 稳 态误 差 的最 有 效 方法 是 把调 节量 的 比例 增 在 完 础 上设 计 一些 非线 性控 制模 块 ， 并且 利用 这 些非 线性模 块 大 。 但 此 过 程 在 减 小 稳 态 误 差 时 具 有 一 定 的 负 面 效 应 ， 因 组 合 出新 的合适 的控制 系统 ［ ２ １ 。 为调 节量 比例 的过 大会 导致超 调 振荡 ， 使 系统稳 定性 变 会
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
非线性PID控制系统的设计
【摘要】非线性PID的设计是在非线性的基础之上，PID控制系统具有很多极其独特的优点，给我们的使用带来了很多便利和好处，为实际的的工程运用提供了强大的技术支持和模型支撑。
本文分析了非线性PID控制系统设计的相关问题。
【关键词】非线性；PID；控制系统；设计
1.前言
传统的非线性ＰＩＤ控制系统在给我们的相关工程和实际工作提供很多便利的同时，存在不少应该改进的问题。
非线性PID控制系统的巨大优势主要体现在改善传统的PID控制器时所表现出来的稳定性和快速性等方面。
由于各方面技术和需要的快速发展，目前的非线性ＰＩＤ控制系统在使用上的局限性已经开始显现。
但是，长时期以来，在工业控制的大领域里，非线性的ＰＩＤ控制是一种得到广泛业界认可，并且历史及其悠久，效果显著的控制方式。
２．非线性ＰＩＤ控制系统的特点和应用现状
PID的应用仍然是现在工程界用于实际控制的主要控制方法,在冶金、化工、轻工等行业广泛应用。
非线性PID的主要特点便是结构简单、易于操作调整并且具有一定的鲁棒性。
非线性PID控制系统的使用已经得到广泛推广。
虽然已经有一些新的现代控制算法出现，但是非线性PID仍然是主要算法居多。
只是因为现代出现的一些算法有很多缺陷，在实际应用过程中无法起到作用。
长期以来的大量实践经验和事实表明这种经典的控制算法仍然具有强大的生命力，它的思想方法与当今流行的各种控制器的设计方法相比，最显著的特点是它不依赖于对象精确的数学模型,可以从根本上摆脱了工业过程建模,尤其是建立精确模型的困难。
传统的非线性PID的控制方式主要属于事后控制，该控制在实践过程中出现一些问题，比如可能会引起控制回路自激震荡。
也会引起瞬态互调的失真，是被控对象出现损害的几率更高，最近一段时期以来，不管是在理论上还是在技术上，非线性PID的发展质量都得以迅速提高，常规和传统的控制系统与现代新兴的方法结合在一起，已经使系统控制的质量得以大幅度提高。
另外，今天的计算机技术已经得到长足发展，在技术条件上有更加有力的保障，完全可以在这些基础上设计一些非线性控制模块，并且利用这些非线性模块组合出新的合适的控制率。
3.非线性PID控制系统的参数和设计分析
通常意义上的PID的控制参数的主要内容是设置控制器的参数，并且对其不适性进行调整，在这个调整过程中使控制系统达到令人满意的程度。
这个控制设计过程主的原则主要涉及到以下几个方面，积分作用、微分作用、比例作用以及稳定性指标的选择。
设计的方法则主要包括凑试法、临界比例度法、衰减曲线
法等常用方法。
非线性PID控制系统的性能指标通常情况下主要是根据工业生产过程中对于控制的要求来决定的，这其中包含了稳定性、准确性和快速性等。
用参考输入和被调量的误差及其微分、积分的线性组合来产生控制信号，这便是经典的PID控制的原理，但是它并不是在所有的情况下都能够发挥作用。
一些问题的存在使得经典性的非线性PID控制系统不能够满足要求，引起这种情况的原因，其一便是实现非线性PID控制的物质基础，在计算机技术和微电子技术使用在非线性PID之前，决定非线性PID功能和效果的主要是各种元器件，由放大器、加法器、超前滞后网络形成PID，这也就形成了的PID结构。
在计算机技术开始广泛应用后，非线性PID控制系统的性能不断提高。
在计算机技术的充分应用的前提下，微分信号产生的质量更高，打破了传统非线性PID 控制系统的局限性，把自矫正技术、模糊控制、专家控制、智能控制等用于PID，使PID的性能不断地提高。
非线性PID控制器的基本思路是使用一种新的非线性机构一一非线性跟踪一微分器来产生控制器新的基本要素，并利用这些新的要素的“非线性组合”方式来改进经典PID调节器，使其适应性和鲁棒性得以大幅度提高。
主要的方法和过程包括以下几个方面：对输入信号进行处理，对量测信号进行滤波，采用非线性PID控制律产生控制量。
建立非线性PID控制器模型常用的方法是建立模型，而建立模型常用的方法是通过修改常规PID控制器的系数Kp,Ki,Kd来实现,而对于修改PID控制器系数来说，当前采用的最主要的方式是根据系统输出偏差e的大小来实时生成相应函数,然后以这三个函数来代替常规PID控制器的系数.研究过程发展到今天，这个生成过程究竟符合什么样的规律,也就是说生成系数的函数究竟是如何取得,并没有固定的公式可利用,这也是建立非线性PID控制器模型的关键.,得出这几个函数的方法一般是通过分析常规PID性能，从而获得非线性PID的可用模型.通过最后仿真可知这种方法得到的结果也是具有很高的精确性的.
常规线性PID控制方法的关键是通过合理调整误差信号的比例、微分、积分增益大小来对系统实施实施有效控制。
设计中减小稳态误差的最有效方法是把调节量的比例增大。
但此过程在减小稳态误差时具有一定的反面效应，因为调节量比例的过大会导致超调振荡,超调震荡会产生系统稳定性变差的恶果。
而加入微分量的控制方法,可以抑制超调,但又会使响应速度变慢。
大的积分增益有利于消除稳态误差,但会使系统过渡过程变长。
非线性PID调节器所要确定的参数较多,单凭人工经验来调整非线性调节器的参数在实际的操作和实施过程中是比较困难的,这不仅有盲目性,更不值得推广的原因是很难得到一组最佳参数值。
因此,将参数选择问题转化成优化问题来解决是一个关键问题。
为了获取令人满意的过度过程动态特性,目前主要采用这样一种方法，即采用误差绝对值时间积分性能指标作为参数选择的最小目标函数。
另外,在目标函数中还应加入控制输入的平方项还可以防止控制量过大。
由于系统的数学模型存在一个由来已久的缺陷，往往忽略许多外在因素。
因此在理论设计时,如果单纯追求系统的动态特性,得到的
参数很可能使控制信号过大,这样的参数在应用中会因实际系统中的固有饱和特性以及其他未知因素而可能导致系统不稳定,因此综合考虑系统的动态特性及控制输入能量大小。
4.结语
近年来，很多相关学科迅猛发展，给非线性PID控制系统的发展带来了契机，理论上和技术上都将会有更加广阔的发展空间和更加坚实的理论和物质基础。
几年来的研究和实践情况表明，非线性PID控制系统在继承经典PID控制系统的优点的同时，还充分地利用了计算机技术和其他新兴相关技术，在克服弱点和缺陷的同时已经在使用效果上取得很大的成就，具有很好的应用前景。
非线性PID控制系统有其固有优点，但也不是绝对完美的，比如存在着快速性与稳定性之间的矛盾，在未来的发展道路上，设计一些基于偏差的比例、积分和微分的非线性控制模块，并由这些模块以合适的方式组合出控制律是一个需要解决的课题。
目前，它在飞行系统的设计控制，无塔供水系统的控制，水下密闭容器压力系统的控制等领域都得到了很好的应用，获得了很不错的控制效果。
但关于这一方面的理论体系还很不完善。
随着工程应用和各种工学新科目的不断出现的，非线性PID控制系统对其本身的理论研究和实践效果提出了更高的要求，需要发掘新的技术制高点，以提高动态控制效果。