论文总字数：16446字

摘 要

PID控制器拥有简单的结构，在实际情况下控制效果容易实现，鲁棒性相比其他控制器更强，被广泛应用在各种工业过程控制。为了PID控制器能够实现良好的控制效果，PID控制器参数的整定尤为重要。随着时代的进步与科技的发展，各种控制器参数整定方法络绎不绝，给控制器参数整定领域带来了美好的发展前途。但在实际过程控制应用中，相比所谓先进的整定方法，经典的PID控制器参数整定方法显得更加优秀。

在此背景下，了解一些常规的PID控制器参数整定的方法是十分有意义的。本文主要介绍了PID控制器参数整定的背景，国内外的发展状况，以及所用到的仿真软件，介绍了PID控制器的原理与结构，以及控制规律的选择，了解到MATLAB/SIMULINK仿真软件的实用性，接下来主要介绍了几种常规的PID控制器参数整定的方法，并对不同方法下的系统进行了仿真与分析，判断出方法的优点与缺点。

关键词：PID控制 参数整定 建模 仿真分析

Parameters Tuning of PID Controller and Simulation by MATLAB SIMULINK

Abstract

PID （Proportional, Integral and Differential） controller is used widely in kinds of industry circumstance for its simple structure, easy implementation and strong robustness. Parameters tuning of PID controller is particularly important that it can help PID controller work well.With the progress of the times and the development of science and technology,people have found all kinds of tuning methods .It brought a bright future to parameters tuning of PID controller.But in practical application ,classical methods of Parameters Tuning is better than some modern ones.

In this context,we can learn about some methods of parameters tuning of PID controller.This paper shows the background of parameters tuning, the current situation home and abroad and the simulation software used here.This paper also gives a brief analysis and description on selection of the controlled objects and controlling rules.The practicality of MATLAB/SIMULINK is also be showed in this context.Moreover, this paper gives some conventional methods of parameter tuning ,some simulations and analyses of these methods and the comparison of them.

目录

摘 要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1前言 1

1.2课题研究背景 1

1.3PID控制器参数整定的现状 2

1.4论文安排 4

第二章PID控制器简介 5

2.1 PID控制器的结构及原理 5

2.2控制器参数对控制系统性能的影响 6

2.2.1比例作用对控制系统性能的影响 6

2.2.2积分作用对控制系统性能的影响 6

2.2.3微分作用对控制系统性能的影响 6

2.3仿真分析 7

2.3.1比例作用分析 8

2.3.2积分作用分析 9

2.3.3微分作用分析 10

2.4控制规律的选择 11

2.4本章小结 11

第三章仿真工具介绍 12

第四章几种常规PID控制器参数整定方法及仿真研究 13

4.1 PID控制器参数整定方法分类 13

4.2 经验公式法 13

4.2.1 Z-N经验公式简介 13

4.2.2仿真分析 14

4.3临界比例度法 16

4.3.1 Z-N临界比例度法方法简介 16

4-3-2 Z-N临界比例度法的缺点 17

4.3.3仿真分析 18

4.4改进的Z-N法 21

4.4.1改进的Z-N法介绍 21

4.4.2仿真分析 23

4.5特征面积法 26

4.5.1方法简介 26

4.5.2仿真分析 28

4.6本章小结 30

第五章 参数自整定简介 31

第六章 总结与展望 32

参考文献 33

第一章 绪论

1.1前言

PID控制器又被称为 PID调节器，是按偏差的比例 P(ProPortiona1)、积分 I(Integra1)、微分 D(Differential or Derivative)进行控制的调节器的简称，它主要针对控制对象来进行参数调节。PID控制器历史悠久，可以划分为传统，现代，智能三个阶段。在现代化工业控制系统和工程实际应用中，传统的PID控制策略依然被广泛采用。因为它的算法简单、稳定性好、工作可靠、鲁棒性好，在工程上易于实现。

目前很多工业控制使用的控制器中PID调节器占了一大半，使用先进的PID控制器大约五分之一，加起来近百分之九十。据一篇有关美国某污水处理厂的统计报告显示该污水处理厂有2000多个控制回路，其中大约90%是PID控制及其改进的型号，但是其中仅仅大约25%的控制回路的工作情况令人满意。可见，在实际生产过程控制中，常规的PID控制最为常用，然而他们对运行状况的适应性较差，控制效果难以得到保证。其主要原因是参数整定不合适，阀门问题，传感器问题，采样频率的选择不当以及滤波器问题等等。

PID控制器虽然有很多优点，但是在工业过程控制中表现的还不好。系统一旦开始运行，许多参数都是固定的，但是因为存在诸多影响，参数不一定就是完美的，还是会影响系统的平稳运行，导致过程控制不到位，进而影响工业生产发展。参数整定的不容易，促进了参数整定技术的发展，也促进了PID控制器的发展。要想得到最优的参数，合适的参数整定方法很重要。如果方法运用的好，参数的调节时间就短，过程控制就能早一些进入稳定的状态，系统也能提前进入稳定运行状态；所需要的人力物力资源就少一些，节约了很多成本。

1.2课题研究背景

PID发展迅速，在实际过程控制中表现得比其他控制器较为优秀，所以被广泛应用于工业过程控制和运动控制，为工业生产的了安全、经济、稳定的提供了一定的保障。如此优秀的他还是存在一个问题，那就是参数的整定。PID控制器十分依赖传统的参数整定方法，难以精确的确立系统的控制模型，PID控制器经常没法被优秀的整定，表现出来的控制性能有些不足，无法适应一些影响因素多的环境。基于上述情况，本文对控制器的参数整定方法进行了讨论并用MATLAB/SIMULINK进行了相关仿真。

1.3PID控制器参数整定的现状

PID控制器参数整定的方法随着时代的发展也处在不断发展的过程中，尤其是在近几年来，国际上各相关部门对PID控制的参数整定方法的研究越来越重视，许多重要的国际杂志论坛讨论的相关问题的文章也越来越多，不断有新的研究成果被发表。

在1942年，Ziegler和Nichols在对其研究时，注意到了一个现象，就是在在一阶惯性加纯时会发生延迟，进而研究提出了PID控制器参数整定的Z-N法。控制对象属于一般情况下的，可以画出相应的阶跃响应确应，根据曲线作出相似的一阶惯性加纯模型。这个方法一经提出就很快的被应用于实际运行中。然而他们的研究并没有止步，还在那一年，Ziegler对频域曲线进行了深入探讨，观察发现频域响应的一些重要因素，提出了临界振荡法，该法方法后续研究中延伸出许多新方法。他们对控制理论的发展起到了一定作用，随着控制理论的不断发展，参数整定的研究队伍越来越壮大，研究的人员越来越多，经典的控制器参数整定方法也越来越多。

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