課程設(shè)計(jì)專家PID控制系統(tǒng)simulink仿真

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課程設(shè)計(jì)

題目：專家PID控制系統(tǒng)仿真

學(xué)生姓名：學(xué)號：專業(yè)：自動化班級：指導(dǎo)教師：

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專家PID控制系統(tǒng)仿真

摘要

簡單介紹了常規(guī)PID控制的優(yōu)缺點(diǎn)和專家控制的基本原理，介紹了專家PID控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，針對傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)控制器?；贛ATLAB的simulink仿真軟件進(jìn)行應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，仿真和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)結(jié)果均說明，專家PID控制具有比常規(guī)PID更好的控制效果，且具有實(shí)現(xiàn)簡單和專家規(guī)則簡單獲取的優(yōu)點(diǎn)。

論文主要研究專家PID控制器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，完成了以下工作：（1）介紹了專家PID控制和一般PID控制的原理。

（2）針對任務(wù)書給出的受控對象傳遞函數(shù)G(s)=523500/(s3+87.35s2+10470s)，并且運(yùn)用MATLAB實(shí)現(xiàn)了對兩種PID控制器的設(shè)計(jì)及simulink仿真，且對兩種PID控制器進(jìn)行了比較。

（3）結(jié)果分析，總結(jié)。

仿真結(jié)果說明，專家PID控制采用多分段控制，其控制精度更好，且具有優(yōu)越的抗擾性能。

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專家控制是智能控制的一個分支，是先進(jìn)控制的一種。其實(shí)質(zhì)是利用專家經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)控制器，使控制器具有智能。本文的目的是用兩種PID算法來實(shí)現(xiàn)PID控制在快速系統(tǒng)中的仿真及應(yīng)用。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

目前，專家PID廣泛應(yīng)用于自動化儀表、工業(yè)控制、動力裝置控制等各個領(lǐng)域。并且隨著控制理論和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展和傳感器集成化程度的提高，專家智能PID控制必將是極有發(fā)展前途的研究和應(yīng)用方向。

近年來，人們普遍認(rèn)為:基于知識和經(jīng)驗(yàn)的專家系統(tǒng)、基于模糊規(guī)律推理于計(jì)算的模糊控制、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制及以上方法的交織與融合，將是今后的研究熱點(diǎn)。

其次章PID控制器綜述

2.1常規(guī)PID控制器概述

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)理器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)理。PID控制器以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整便利而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全把握，或得不到確切的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必需依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為便利。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。

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2.2專家PID控制器

概括的講，智能控制就是擬人智能的控制，也就是說，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)不僅能自動地處理數(shù)據(jù)、信息，而且能處理知識，具有推理、判斷、決策等能力，是人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)與控制理論相結(jié)合的控制。

專家控制系統(tǒng)是智能控制的主要內(nèi)容之一，建立在控制理論和人工智能技術(shù)基礎(chǔ)之上，為工業(yè)自動化控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的方法。

與一般的經(jīng)典控制系統(tǒng)相比，專家控制系統(tǒng)的基本特性，是基于知識的結(jié)構(gòu)和處理不確定性問題的能力。盡管己有大量方法來提高經(jīng)典控制系統(tǒng)處理不確定性問題的能力，如魯棒控制、自適應(yīng)控制等，但是它們依舊難以應(yīng)用到工業(yè)過程中.這是由于傳統(tǒng)先進(jìn)控制系統(tǒng)采用的是純粹的分析結(jié)構(gòu)、線性和時不變約束等，而且難以被用戶理解。通過引入專家系統(tǒng)技術(shù)，使系統(tǒng)具有靈活性、可靠性和處理不確定信息的能力:可以進(jìn)行預(yù)計(jì)、診斷錯誤、給出補(bǔ)救方案，并且監(jiān)視其執(zhí)行，以保證控制性能。

專家PID控制是在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)專家及操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，針對具有大滯后、時變、非線性系統(tǒng)而提出的控制方法。其主要特點(diǎn)是分區(qū)進(jìn)行不同算法的調(diào)理，它既有Bang-Bang控制（最優(yōu)控制）的快速性，又有遲滯控制的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

專家整定PID控制器，把人的判斷技巧與推理能力參與到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中去。在專家整定PID控制系統(tǒng)中，PID參數(shù)的整定工作由專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，控制信號依舊由PID控制器給出，專家系統(tǒng)只是間接地影響控制過程。

總之，專家PID控制的思想就是以誤差e和誤差變化率e·為約束，對不同階段的PID參數(shù)進(jìn)行智能整定，以適應(yīng)對動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度都較高的控制系統(tǒng)。

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第三章專家PID控制在MATLAB上的實(shí)現(xiàn)

3.1簡介

專家控制(ExpertControl)的實(shí)質(zhì)是基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，并以智能的方式利用這些知識來設(shè)計(jì)控制器。利用專家經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)PID參數(shù)便構(gòu)成專家PID控制。

任何一個控制系統(tǒng)都是由被控對象和控制器兩大部分構(gòu)成。無論是經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論，它們主要研究的目標(biāo)就是被控對象的動態(tài)行為。而控制器的設(shè)計(jì)尋常是在被控對象數(shù)字模型已知的狀況下進(jìn)行的。但是在多數(shù)狀況下，建立被控對象的數(shù)字模型并不是一件簡單的事情，特別是當(dāng)對象具有非線性，時變性和分布參數(shù)等特性時，數(shù)字模型的建立就更加困難。

PID控制算法由于其結(jié)構(gòu)簡單、物理意義明確、魯棒性強(qiáng)等顯著的優(yōu)點(diǎn)，使它在工業(yè)控制中處于主導(dǎo)地位，特別適用于可以建立確切數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)。然而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時變不確定性等特點(diǎn)，難以建立確切的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)PID控制器不能達(dá)到理想的控制效果；在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運(yùn)行工作狀況的適應(yīng)性很差。因此，常規(guī)PID控制的應(yīng)用受到限制和挑戰(zhàn)。因此，人們對PID控制做了各種改進(jìn)工作。

3.2設(shè)計(jì)專家PID控制器的實(shí)現(xiàn)方法

令e(k)表示離散化的當(dāng)前采樣時刻的誤差值，e(k-1)、e(k-2)分別表示前一個和前兩個采樣時刻的誤差值，則有：

Δe(k)=e(k)-e(k-1)；(3-1)Δe(k-1)=e(k-1)-e(k-2)(3-2)專家PID控制器主要由專家判斷組成，根據(jù)誤差e(k)及其變化Δe(k)，可設(shè)計(jì)專家PID

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控制器，該控制器可分為以下5種狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)：

(1)當(dāng)|e(k)|>M1時，說明誤差已經(jīng)很大，控制器輸出應(yīng)依照最大(小)輸出，以迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對值以最大速度減小。

(2)當(dāng)e(k)Δe(k)≥0時，說明誤差正朝絕對值增大方向變化，或者誤差為某一常值；此時，假使|e(k)|≥M2，說明誤差也較大，可考慮實(shí)施較強(qiáng)的控制作用，以達(dá)到使誤差絕對值朝減小方向變化，并迅速減小誤差的絕對值，控制器輸出為：

錯

誤

！

未

找

到

引

用

源

。

(

3

-3

)

此時，假使|e(k)|0，或e(k)=0時，說明誤差絕對值朝減小方向變化，或已達(dá)到平衡狀態(tài)，可考慮保持控制器輸出不變。

(4)當(dāng)e(k)Δe(k)1；k2—抑制系數(shù)，0M2；ε—任意小的正整數(shù)；em(k)—誤差e的第k個極值。

3.3.專家PID控制器的S函數(shù)的M文件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)專家PID的控制原理，以傳遞函數(shù)G（s）=523500/(s3+87.35s2+10470s)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)其實(shí)現(xiàn)代碼主要部分如下：

以M文件程序建立S函數(shù)控制子程序，與在之后的被封裝的子系統(tǒng)框圖建立聯(lián)系，主要過程見后面的圖：

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3.4專家PID控制器的simulink設(shè)計(jì)

下圖為用simulink各部件圖庫等簡歷的主系統(tǒng)框圖和子系統(tǒng)框圖：

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被封裝的子系統(tǒng)：

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S函數(shù)連接界面，zxy為函數(shù)名：

傳遞函數(shù)設(shè)置框：