基于MATLAB的PID工具箱的設(shè)計(jì).doc

基于MATLAB的PID工具箱的設(shè)計(jì)第一章引言當(dāng)今的自動(dòng)控制校術(shù)大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個(gè)基本要素:測量、比較和執(zhí)行。測量關(guān)心的是變量，并與期望值相比較，以此誤差來糾正和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。反饋理論及其在自動(dòng)控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是做出正確測量并與之比校后，如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié)。在過程系統(tǒng)中，PID類控制器因其結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)物理意義明顯、整定方便、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)勢，應(yīng)用特別廣泛，整定算法和改進(jìn)控制其結(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)中也多有報(bào)道，然而在MATLAB下至今尚沒有被廣泛接受的PID控制工具箱。為了解決這一難題，需要將各種典型的控制器模型統(tǒng)一集中到一個(gè)工具箱中。可以讓用戶不用編程序，只通過簡單的模塊組合就能完成PID控制器的設(shè)計(jì)與仿真。本論文的研究對象是面向工業(yè)過程的PID控制器參數(shù)的整定。通過仿真實(shí)例詳細(xì)分析了P、I、D三參量對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，給出了用MATLAB求取PID整定參數(shù)的方法,通過該方法用戶可以只用一條命令就可以輕易的完成一種整定方法.工業(yè)過程控制涉及的被控對象大多具有下述特點(diǎn):1)對象的動(dòng)態(tài)特性是不振蕩的對象的階躍響應(yīng)通常是單調(diào)曲線，被調(diào)量的變化比較緩慢。工業(yè)對象的幅頻特性和相頻特性隨著頻率的增高都向下傾斜。2)對象動(dòng)態(tài)特性有遲延由于遲延的存在，控制器動(dòng)作的效果往往需要經(jīng)過一段遲延時(shí)間后才會(huì)在被調(diào)量上表現(xiàn)出來。3)被控對象本身是穩(wěn)定的或中性穩(wěn)定的4)被控對象往往具有非線性特性對于被控對象的非線性特性，如果控制精度要求不高或者負(fù)荷變化不大，則可以用線性化方法進(jìn)行處理。本論文只針對線性系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真研究?？刂破鞑糠植捎糜蓙硪丫玫腜ID控制器。PID類控制器包括了PI,PD,PID控制器及其很多變形的PID控制器。在生產(chǎn)過程自動(dòng)控制的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制器方式。在上世紀(jì)40年代以前，除在最簡單的情況下可采用開關(guān)控制外，基于MATLAB的PID工具箱的設(shè)計(jì)它是唯一的控制方式。此后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展特別是電子計(jì)算機(jī)的誕生和發(fā)展，涌現(xiàn)出許多新的控制方法。然而直到現(xiàn)在，PID控制由于它自身的優(yōu)點(diǎn)仍然是得到最廣泛應(yīng)用的基本控制方式。在應(yīng)用PID控制器的生產(chǎn)過程中，當(dāng)工況發(fā)生變化時(shí)需要調(diào)整控制器的參數(shù)，這即是PID控制器的參數(shù)整定。本論文采用的PID整定方法是指工程整定方法中的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法。其整定規(guī)則由PIandPIDControllerTuningRules一書提供。另外,在該論文的第三章中用例子對P、I、D的原理以及其對系統(tǒng)的影響進(jìn)行了仿真.通過該仿真可以更明了的PID控制器在過程控制中的優(yōu)越性.在論文的第四章通過MATLAB中提供的GUIDE命令調(diào)出一個(gè)空白界面設(shè)計(jì)的窗口,根據(jù)要求設(shè)計(jì)出該課題所需的界面.通過對各個(gè)控件的屬性修改和回調(diào)函數(shù)的填寫,經(jīng)調(diào)試得出最終的PID工具箱基于MATLAB的PID工具箱的設(shè)計(jì)第二章MATLAB簡介2.1MATLAB發(fā)展簡史與特點(diǎn)MATLAB是有TheMathWorks公司推出的用于仿真的軟件。MATLAB語言是一種十分有效的工具，它能容易地解決在系統(tǒng)仿真及領(lǐng)域的教學(xué)與研究中遇到的問題，它可以將使用者從繁瑣，無謂的底層編程中解放出來，把有限的寶貴時(shí)間更多的花在解決科學(xué)問題中，這樣無疑會(huì)提高工作效率。經(jīng)過幾十年的發(fā)展和研究，不斷的完善其功能?，F(xiàn)在MATLAB已經(jīng)推出7.8版本，占據(jù)了數(shù)值軟件市場的主導(dǎo)地位。目前，MATLAB已經(jīng)成為國際上最流行的科學(xué)與工程計(jì)算的軟件工具，現(xiàn)在的MATLAB已經(jīng)不僅僅是一個(gè)“矩陣實(shí)驗(yàn)室”了，它已經(jīng)成為了一種具有廣泛應(yīng)用前景的、全新的計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語言了，有人稱它為“第四代”計(jì)算機(jī)語言，它在國內(nèi)外高校和研究部門正扮演著重要的角色。MATLAB語言的功能也越來越強(qiáng)大，不斷適應(yīng)新的要求提出新的解決方法。MATLAB長于數(shù)值計(jì)算，能處理大量的數(shù)據(jù)，而且效率比較高。該產(chǎn)品組是支持從概念設(shè)計(jì)、算法開發(fā)、建模仿真和實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的理想的集成環(huán)境。無論是進(jìn)行科學(xué)研究還是產(chǎn)品開發(fā)，MATLAB產(chǎn)品組都是必不可少的工具。MATLAB產(chǎn)品組可以用來進(jìn)行:數(shù)據(jù)分析、數(shù)值和符號(hào)計(jì)算、工程與科學(xué)繪圖、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)字圖像信號(hào)處理、財(cái)務(wù)工程、建模仿真原型開發(fā)、應(yīng)用開發(fā)、圖形用戶界面設(shè)計(jì)。如果單純地使用MATLAB語言進(jìn)行編程而不采用其它外部語言，則用MATLAB語言編寫出來的程序不作絲毫的修改便可以直接移植到其它機(jī)型上使用，所以說與其它語言不同，MATLAB是和機(jī)器類型和操作系統(tǒng)基本上無關(guān)的，與其他它程序設(shè)計(jì)語言相比，MATLAB語言有如下的優(yōu)勢:(1)MATLAB語言的簡潔高效性使編程效率高M(jìn)ATLAB是一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)語言，允許用數(shù)學(xué)形式的語言編基于MATLAB的PID工具箱的設(shè)計(jì)寫程序，且比BASIC.FORTRAN和C等語言更加接近我們書寫計(jì)算公式的思維方式，用MATLAB編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題。(2)用戶使用方便MATLAB語言是一種解釋執(zhí)行的語言(在沒被專門的工且編譯之前)，它靈活、方便.其調(diào)試程序手段豐富，調(diào)試進(jìn)度快，需要學(xué)習(xí)時(shí)間少，人們用任何一種語言編寫程序和調(diào)試程序一般都要經(jīng)過四個(gè)步驟:編輯、編譯、鏈接，以及執(zhí)行和調(diào)試。(3)擴(kuò)充能力強(qiáng)，交互性好高版本的MATLAB語言有豐富的庫函數(shù)，在進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算時(shí)可以直接調(diào)用，而且MATLAB的庫函數(shù)同用戶文件在形式上一樣，所以用戶文件也可作為MATLAB的庫函數(shù)來調(diào)用。因而，用戶可以根據(jù)自己的需要方便地建立和擴(kuò)充新的庫函數(shù)，以便提高M(jìn)ATLAB的使用效率和擴(kuò)充它的功能。(4)MATLAB語言方便的繪圖功能MATLAB的繪圖是十分方便的，它有一系列繪圖函數(shù)(命令)，這種為科學(xué)研究著想的設(shè)計(jì)是通用的編程語言所不能及的。MATLAB語言可以用最直觀的語句將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或計(jì)算結(jié)果用圖形的方式顯示出來，并可以將以往難以出來的隱函數(shù)直接用曲線繪制出來。2.2MATLAB圖形用戶界面(GUI)計(jì)技術(shù)用戶界面是指人與機(jī)器之間交互作用的工具和方法，交換信息的接口。圖形用戶界面(GraphicalUserInterfaces,GUI)則是由窗口、光標(biāo)、按鍵、菜單、文字說明等對象構(gòu)成的一個(gè)用戶界面。用戶通過一定的方法選擇、激活這些圖形對象，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動(dòng)作或變化，比如實(shí)現(xiàn)計(jì)算、繪圖等。隨著Windows技術(shù)的發(fā)展，MATLAB的用戶及TheMathWorks公司的開發(fā)者們逐漸意識(shí)到在多個(gè)窗口界面下運(yùn)行MATLAB的必要性和可行性。1992年TheMathWorks公司推出了具有創(chuàng)造性意義的MATLAB4.0版本，并于次年正式推出了MATLAB4.0版的PC機(jī)版本，以適應(yīng)日益流行的MicrosoftWindows環(huán)境下使基于MATLAB的PID工具箱的設(shè)計(jì)用。MATLAB4.0版本一出現(xiàn)，立即引起了使用者和程序開發(fā)人員的極大興趣，因?yàn)樗乖谄渌Z言環(huán)境下看起來十分復(fù)雜的WINDOWS圖形界面設(shè)計(jì)顯得非常的容易和方便。MATLAB5.0版的出現(xiàn)使MATLAB圖形界面設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。該版本提供了一個(gè)實(shí)用的用戶圖形界面開發(fā)程序Guide，然而在該版本中其功能很不完善，6.0版中提供的Guide程序功能有了很大的改觀，但有些地方也不甚理想，MATLAB6.1中增強(qiáng)了Guide程序的功能，它完全支持可視化編程，其方便程度類似于VisualBasic。將它提供的方法和用戶的MATLAB編程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來，可以很容易地寫出高水平的用戶界面程序。基于MATLAB的PID工具箱的設(shè)計(jì)第三章PID控制器設(shè)計(jì)3.1PID控制器原理PID控制器，是比例P、積分I、微分D控制的簡稱，它是一種負(fù)反饋控制。PID控制器是最早發(fā)展起來的控制策略之一，在生產(chǎn)過程的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。因?yàn)檫@種控制具有簡單的控制結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中又較易于整定，所以它在工業(yè)過程控制中有著最廣泛的應(yīng)用。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，各參數(shù)物理意義明確，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)選定比較簡單，適用面廣，在工程上易于實(shí)現(xiàn)；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活。長期以來被廣大科學(xué)技術(shù)人員及現(xiàn)場操作人員所采用，并積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。特別是在化工過程控制中，由于控制對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化常采用PID控制器，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線整定。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，PID控制已能用微機(jī)方便地實(shí)現(xiàn)。由于計(jì)算機(jī)軟件的靈活性，PID算法可以得到改進(jìn)而更加完善，并可與其它控制規(guī)律結(jié)合在一起，產(chǎn)生更好的控制效果。即使在控制理論日新月異發(fā)展的今天，在工業(yè)過程控制中，90%以上的控制器仍然是PID控制器。PID控制的優(yōu)點(diǎn):1)原理簡單，使用方便。2)適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各種生產(chǎn)部門。按PID控制進(jìn)行工作的自動(dòng)調(diào)節(jié)器早己商品化。在具體實(shí)現(xiàn)上它們經(jīng)歷了機(jī)械式、液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電子式等發(fā)展階段，但始終沒有脫離PID控制的范疇。即使目前最新式的過程控制計(jì)算機(jī)，其最基本的控制功能也仍然是PID控制。3)魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感?；贛ATLAB的PID工具箱的設(shè)計(jì)一種控制方法能被廣泛應(yīng)的和發(fā)展，根本原因在于這種控制方法能滿足實(shí)際控制的應(yīng)用需求和具備應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的條件。在計(jì)算機(jī)技術(shù)沒有發(fā)展的條件下，大量的控制對象是一些較為簡單的單輸入單輸出線性系統(tǒng)，而且對這些對象的自動(dòng)控制要求是保持輸出變量為要求的恒值，消除或減少輸出變量與給定值之誤差、誤差速度等。而PID控制的結(jié)構(gòu)，正是適合于這種對象的控制要求。另一方面，PID控制結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便，用一般電子線路、電氣機(jī)械裝置很容易實(shí)現(xiàn)，這種PID控制比其它復(fù)雜控制方法具有可實(shí)現(xiàn)的優(yōu)先條件，即使到了計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的時(shí)代，由于被控對象輸出信息的獲取目前主要是“位置信息”、“速度信息”和部分“加速度信息”，而更高階的信息無法或很難測量，在此情況下，高維、復(fù)雜控制只能在計(jì)算方法上利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢，而在實(shí)際應(yīng)用中，在不能或難以獲得高階信息的條件下，PID控制或二階形式的控制器仍是應(yīng)用的主要方法。在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。典型模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如下圖所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。從圖中可以看出，在PID控制器下，分別對誤差信號(hào)e(t)進(jìn)行比例、積