PID参数整定算法研究及仿真分析

IPID 参数整定算法研究及仿真分析摘 要在控制工程实践中，PID 控制是应用最为广泛的一种控制策略。PID 参数的最佳整定对确保控制系统的控制品质起着至关重要的作用，只有整定出与被控对象动态特性相匹配的 PID 参数，才能满足控制系统的要求。然而，至今控制系统的 PID 参数整定工作无论是在国内还是在国外的控制工程实践中，主要采用的还是人工整定法。这使得 PID 参数的整定工作不仅费时，而且难以保证控制系统性能最佳，尤其是对于被控对象特性随工况发生变化的系统，PID 参数人工整定法更不能满足系统的要求。因此，对 PID 参数自整定的研究就提到了议事日程。随着控制理论的飞速发展和先进控制设备 DCS 的采用，为解决 PID 参数自整定的研究提供了契机。本论文深入研究了 PID 控制理论和重新分析了 PID 控制器的控制机理，在此基础上综述和讨论了现有的 PID 参数整定方法和近年来的发展状况。按照简单、易用、直观的参数整定原则及切实改善系统控制性能的参数整定目的，分别探讨了 PID 控制器的参数自整定算法中的离散模型的控制器参数整定和基于传递函数模型的控制器参数整定，在此基础上对 PID 的参数整定有了进一步的了解。最后是对 Ziegler -Nichols 方法整定 PID 的连续和离散的两种情进行了仿真研究。仿真试验验证了该 PID 参数的自整定算法正确，具有一定的先进性和实用性，充分考虑了工业控制中各种被控对象的特点及差异，在实践上易于工程实际应用，能满足控制系统的要求。关键词:PID 参数, PID 控制器 , PID 控制，参数自整定 ，仿真 IIPID parameters setting algorithms and simulation analysisABSTRACTProportional-Integral-Derivative (PID) is one of the most widely used control strategies in theprocess control engineering practice. The best tuning parameters of PID has a crucial effect oncontrol performance. The desired requirements on control system can be met as long as the PIDparameters accommodated with the process dynamics are obtained. However, the artificial methodsfor tuning PID parameters are so far applied commonly regardless of in the domestic or overseasprocess control engineering practice, which cause the PID tuning job extremely time-consuming andcan not assure of the best control system performances consequently, particularly for these timevariant processes. Hence, the research on automatic tuning and adaptation technologies for PIDcontrol is on the agenda. Furthermore, the rapid development of control theory and the application ofadvanced control equipment DCS provide an opportunity for PID parameters tuning.This paper further studies the PID control theory and analysis of the control mechanism, PID controller based on reviewed and discussed the existing PID parameters setting method and recent development status. According to the simple and easy and intuitive parameter setting principles and effectively improve the system control performance parameter setting purpose, this paper probes into the PID controller auto-tuning parameters of discrete model controller parameter setting and the controller based on the transfer function model parameter setting, based on PID parameters of a IIIfurther understanding. Finally to Ziegler Nichols - the PID method of continuous and discrete two kind of feeling the simulation.The simulation results show that this tuning algorithm that has taken the processes characteristics differences into consideration is correct, advanced and practical in engineering application and meetsthe requirements on the control system.Key words：PID parameters； PID controller ； PID control,； parameter auto-tuning step ；Simulation.IV目录摘要 .ABSTRACT.第 1 章 绪论 1 1.1 PID 控制的背景11.2 PID 控制的研究现状31.3 本论文的主要内容5第 2 章 PID 控制72.1 PID 控制器的基本原理72.2 PID 控制器的性能指标102.3 PID 控制的主要算法16第 3 章 PID 的参数整定方法193.1 离散模型的控制器参数整定193.2 基于传递函数模型的控制器参数整定20第 4 章 Ziegler -Nichols 方法整定 PID25 4.1 连续 Ziegler-Nichols 方法的 PID 整定254.2 仿真分析254.3 离散 Ziegler-Nichols 方法的 PID 整定274.4 仿真分析28第 5 章 结论32参考文献.34V致谢 36附录37 1第 1 章 绪论1.1 PID 控制的背景比例积分微分(PID) 控制是最早发展起来的控制策略之一，PID控制器作为最早实用化的控制器已有50多年的历史，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于化工、机械、热工和轻工等工业过程控制系统中。最早提出PID参数工程整定方法是在1942年由Ziegler和Nichols提出的简称ZN的整定公式，到1953年Cohen和Coon继承和发展了Z N公式，同时也提出了一种考虑了被控过程时滞大小的CohenCoon整定公式。在常规 PID控制器的整定方法中，往往是技巧多于科学，而在现代工业控制系统中存在着许多不确定性，这些不确定性会造成模型参数变化甚至模型结构的突变，使得原先整定的参数无法保证系统继续良好的运行，这时就要求PID控制器具有自整定的功能。PID控制器从问世自今已经历了半个多世纪，在这几十年中，人们为它的发展和推广做出了巨大的努力，使它成为工业过程控制中主要的和可靠的技术工具。即使在微分处理技术迅速发展的今天，过程控制中大部分控制规律都未能脱离PID控制，这充分说明了PID控制具有很强的生命力和实际价值。PID 有几个重要的功能： 提供反馈控制； 通过积分作用可以消除稳态误差； 通过微分作用预测将来。PID 控制器特别适用于过程的动态性能是良性的而且控制性能要求不高的情2况。PID 控制器也应用于许多特殊目的的控制系统中， PID 控制器也是分布式控制系统的重要组成部分和现场总线概念的重要组成部分，同时会随现场总线的发展被标准化。下面简单的回顾 PID 控制器发展的 3 个阶段：第 1 阶段：从 17 世纪中叶至 20 世纪 20 年代这一阶段由于机器工业的发展，对控制提出了要求。反馈的方法首先被提出，在研究气动和电动仪的基础上发现了比例和积分作用，它们的主要的调节对象是火炉的温度和蒸汽的阀门位置等。调节方式类似于 BangBang 继电控制，精度比较低控制器的形式是 P 和 PI。第 2 阶段：从 20 世纪 20 年代至 40 年代1953 年，泰勒仪器公司发现了微分作用，微分作用的发现具有重要的意义，它能直观地实现对慢系统的控制，对该系统的动态性能能够进行调节，与先期提出的比例和积分作用成为主要的调节部件。第 3 阶段：从 1942 年之后到现今在 1942 年和 1943 年，泰勒仪器公司的 Zielger 和 Nichols 等分别在开环和闭环的情况下，用实验的方法分别研究了比例、积分和微分这三部分在控制中的作用，首次提出了 PID 控制器参数整定的问题。随后有许多公司和专家投入到这方面得研究中，经过 50 多年的努力，在 PID 控制器的调整方面取得了很多的成果。诸如最优控 PID 控制(Optimal PID)、预估 PID 控制(Predictive PID)、自适应 PID 控制（adaptive PID） 、自校正 PID 控制（Selftuning PID） 、模糊PID 控制(Fuzzdy PID) 、神经网络 PID 控制(Neural PID)、非线性 PID 控制3(Nonlinear PID)等高级控制策略来调整 PID 参数。 1随着现代工业的发展，人们面临的被控对象越来越复杂，对于控制系统的精度性能和可靠行的要求越来越高，这对 PID 控制技术提出了严峻的挑战，但是PID 控制技术并不会过时，它必将和先进控制策略相结和向高精度、高性能、智能化的方向房展。1.2 PID 控制的研究现状PID 参数自整定技术是为了处理 PID 参数整定这个问题而产生的，现在自动整定的 PID 控制器已是商业单回路控制器和分布控制系统的一个标准。PID 参数整定与自整定的方法很多，但往往难以实现或不很理想，在精度与速度的折中及对象的使用范围上常常难以令人满意。因此，在 PID 参数的整定及自整定技术方面还有待于近一步深入研究。PID 控制器的结构简单，容易被理解和实现，应用中不需要精确的系统模型的预先知识，因而 PID 控制器成为应用最广泛的控制器。但是人们对 PID 控制器的认识和改进还没有完成，到目前为止 PID 控制的理论、使用范围、鲁性性等课题还没彻底全面的分析研究。如：采用传统的 PID 参数整定方法，没能很好地解决静态与动态性能之间、跟踪设定值与抑制扰动之间、鲁棒性与控制性能之间的矛盾，事实上，PID 控制器并非万能的，它存在固有的缺点： PID 对系统基本线性和动态特性不随时间变化的系统能较好的控制，而很多工业过程是线性或时变的。而且，常规的线性 PID 调节器增益参数固定，因而这种纯线性的控制器有其根本性的、难以克服的基本矛盾：过分依赖比例控制，4未充分利用积分调节能消除余差和微分调节能加快响应、减小超调、克服振荡、改善动态性能等优势功能，也未充分发挥 PID 综合调节、互相制约、互相补偿的整体控制效果。 未顾及被控对象的实际变化状况以及控制系统的性能指标(如调节时间和超调量等)与控制器参数 之间的在线相关性，欠切实性。PID 参数必须pKid根据过程的动态特性整定的很好。如果过程的动态特性变化，例如：可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID 参数要重新整定。实际应用中，PID 参数的整定很困难。 PID参数一经整定，在整个过程中相对固定，因此很难同时满足跟踪设定值和抑制扰动的要求，无法适应过程特性的变化。PID在控制非线性、时变、强耦合及结构不确定的复杂过程时总显的无能为力。目前PID参数整定方法主要有两种，一种是常规PID整定方法，另一种是智能PID整定方法 2。前者算法简单，容易实现，但缺乏灵活性；后者具有很强的自适应能力，但算法比较复杂，无法满足现场的快速响应要求。因此，既要求有自适应能力又要求算法相对简单的PID自整定技术成为控制界学者研究努力的方向。PID参数的整定与优化一直是自动控制领域的重要问题，但在实际生产现场中，常规的PID控制器参数整定不良，性能欠佳。长期以来，人们一直在寻求PID控制器参数的整定技术，已出现的有Ziegler-Nichols(Z-N)法、继电器法、ISTE最优设定方法、梯度法、单纯形法等,但上述方法在是否寻到满意参数值和对系统或工作人员的要求上都不同程度地存在局限性。随着智能算法的发展，人们又5研究了一些