基于MATLAB的自整定模糊PID控制系统

PID控制器参数自整定实验

一、实验目的

1．熟悉PID控制器参数的自整定法；

2．学会利用MATLAB实现对控制器参数进行整定。

二、实验设备

安装Windows系统和MATLAB软件的计算机一台。

三、实验内容

任务一：某液位控制系统，在控制阀开度增加10%后，液位的响应数据如下：

t/s 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

H/mm 0 0.8

2.8 4.5 5.4 5.9 6.1 6.2 6.3 6.3 6.3

如果用具有延迟的一阶惯性环节近似，确定其参数K、T和，并根据这些参数整定PI控制器的参数，用仿真结果验证之。

任务二：已知被控对象的传递函数为𝐺(𝑠)=1(3𝑠+1)5，分别用动态特性参数法、稳定边界法、衰减曲线法以及MATLAB的pidtune函数确定PID控制器参数，并用单位阶跃响应比较整定结果。

四、实验原理

ID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

现在一般采用的是临界比例法。

利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下： （1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；

（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；

（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整P\I\D的大小。

五、实验步骤

任务一

step=0.5;

t0=[0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100];

h0=[0 0.8 2.8 4.5 5.4 5.9 6.1 6.2 6.3 6.3 6.3];

t=0:step:max(t0);

h=interp1(t0,h0,t,'spline');

figure(1)

plot(t0,h0,'r.',t,h,'b-');

控制系统PID参数整定方法的MATLAB仿真

1. 引言

PID控制器是一种常见的控制算法，广泛应用于自动控制系统中。其通过调节三个参数：比例增益（Proportional gain）、积分时间常数（Integral time

constant）和微分时间常数（Derivative time constant），实现对被控对象的稳态误差、响应速度和稳定性等性能指标的调节。PID参数的合理选择对控制系统的性能至关重要。

本文将介绍PID控制器的经典整定方法，并通过MATLAB软件进行仿真，验证整定方法的有效性。

2. PID控制器的整定方法

2.1 手动整定法

手动整定法是根据经验和试错法来选择PID参数的方法。具体步骤如下：

1. 将积分时间常数和微分时间常数设为零，仅保留比例增益，将比例增益逐渐增大直至系统产生较大的超调现象。

2. 根据超调响应的情况，调整比例增益，以使系统的超调量接近所需的范围。

3. 逐步增加微分时间常数，观察系统的响应速度和稳定性。

4. 增加积分时间常数，以减小系统的稳态误差。

手动整定法的优点是简单易行，但需要经验和反复试验，对控制系统要求较高。

2.2 Ziegler-Nichols整定法

Ziegler-Nichols整定法是一种基于试探和试错法的自整定方法，该方法通过调整系统的输入信号，观察系统的输出响应，从而确定PID参数。具体步骤如下：

1. 将I和D参数设为零，仅保留P参数。

2. 逐步增大P参数，直到系统的输出出现大幅度的振荡。

3. 记录下此时的P参数值，记为Ku。

4. 根据振荡的周期Tp，计算出系统的临界增益Kc = 0.6 * Ku。

5. 根据系统的类型选择相应的整定法则： – P型系统：Kp = 0.5 * Kc，Ti = ∞，Td = 0

– PI型系统：Kp = 0.45 * Kc，Ti = Tp / 1.2，Td = 0

– PID型系统：Kp = 0.6 * Kc，Ti = Tp / 2，Td = Tp / 8

自适应模糊PID在串级系统主控制器中的应用

【摘要】传统PID控制在串级控制系统中当被控对象发生变化时，主控制器的参数难以自动调整。针对串级控制系统被控对象大惯性、不确定特点，提出将模糊控制与PID控制结合，在串级控制系统中将主控制器采用自适应模糊PID控制技术，使主控制器具有较好的自适应性。使用MATLAB对系统进行仿真，结果表明在串级控制系统的主控制器中用自适应模糊控制PID控制器来取代传统常规PID控制器后，整个串级控制系统具有良好的动态性能。当被控对象模型结构发生变化时，控制系统的抗干扰性及鲁棒性得到较大的提升。

【关键词】串级控制系统；主控制器；自适应模糊PID控制

0 引言

在工业串级控制中，PID控制是工业串级控制中最常用的方法。但是，它具有一定的局限性：当控制对象不同时，控制器的参数难以自动调整以适应外界环境的变化。为了使控制器具有较好的自适应性，实现控制器参数的自动调整，可以采用模糊控制理论的方法。

在工业过程控制领域，随着过程控制的应用领域越来越宽泛化、被控对象的越来越复杂化，相应的过程控制技术必然会变得越来越精巧化，但是以PID控制技术为原理而搭建的各种控制器将是过程控制领域中不可或缺的基本控制单元，PID原理的控制技术仍然会在相当长一段时间内占有主导地位。本文将模糊控制和PID控制结合起来，应用模糊推理的方法实现对PID参数进行在线自整定，实现PID参数的最佳调整，设计出自适应模糊PID控制器，并进行了Matlab/Simulink仿真。

1 基于自适应模糊PID控制的串级控制系统主回路的设计

1.1 串级控制系统简介

串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的。当被控对象的滞后或惯性较大，干扰比较剧烈时，往往采用简单控制系统后得到的系统控制质量会比较差，满足不了工艺上的要求，此时，可考虑采用相对更优的串级控

1.2 自适应模糊PID控制器结构和工作原理

对于复杂的非线性系统，只采用常规PID控制或普通模糊控制都难以达到满意的效果。但是自适应模糊PID控制器却能有机地将两者的优点结合起来，当系统误差小于某一特定阈值时，采用PID控制，以提高系统的控制精度；当系统误差大于某一特定阈值时，采用模糊控制，以提高系统响应速度，加快响应过程，抑制超调。简而言之，这种复合控制策略就是在大偏差范围内采用模糊控制，而在小偏差范围内采用成PID控制，二者的转换由微机程序根据事先人为

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自调整模糊PID控制及MATLAB仿真

作者：梁观坡 邹泽华 叶盛杰 朱忠雄 刘林潇 张劲枫

来源：《科技风》2018年第11期

摘要：将自调整模糊控制技术和传统PID控制相结合，可克服常规的PID控制器存在的劣势与短板，使PID控制器具有参数自调整的相应能力。利用自调整模糊控制发挥PID 控制器参数自调整功能， 进一步稳定了PID 控制器的相关性能， 增强了系统的控制精度能力。分析比较传统控制和模糊自调整控制，结合各自的优劣点，在MATLAB中对仿真实验进行模拟验证，使得系统的精确度进一步提高。利用系统的不稳定性的特点，并在其内加入监督控制的功能，达到了抑制控制过程中的不稳定性、不确定性以及时滞性等多项干扰因素的目的，从而很好地改善了系统的控制性能。在MATLAB模糊PID的基础上，将PID的参数引入到系统中，最后根据操作经验制定模糊控制原则。

把MATLAB 中的Fuzzy Toolbox和Simulink结合起来， 就能充分展现了该自调整模糊PID控制系统的仿真。

关键词：自调整模糊控制；PID控制器；MATLAB；Simulink ；自调整模糊PID控制系统的仿真

PID控制技术是目前最普遍的控制方法，实际运行的相关事例和理论分析数据均表明，将这种控制规律用于大多数工业对象会有较理想的结果[1]。PID控制在工业的运用最为广泛。作为最早兴起的发展战略，这种控制战略不需要预备太多的专业知识，因为PID几乎是拥有了复杂系统。PID控制作为一种经典控制，面对精确数学化模型时，PID控制能取得较完美的效果。然而在实际应用中，当被控对象数学模型处于变动时，PID参数调整存在很大难度，且大量被控过程机理盘根错节，被控对象数学模型建立棘手，其控制效果并不理想[2]。本文对传统控制与模糊自调整控制进行比较分析后得出模糊控制具备的优良特点，并将模糊控制与PID控制相结合，结合两种控制方法的特点，设计了一种自整定模糊PID统。以模糊逻辑工具箱和MATLAB中的Simulink为基础， 对PID进行模糊，并将PID的参数引入到系统中，再根据操作经验制定模糊控制规则，对控制系统进行了仿真。