引 言
PID是Proportional-Integral-Derivational的缩写，分别指比例、积分、微分。在工业过程控制的发展史上，PID控制是历史上最悠久、生命力最强的控制方式，也是迄今最通用的控制方法。PID控制以其简单清晰的结构、良好的鲁棒性和广泛的适用范围, 深受工业界的青睐,并且日益受到控制理论界的重视。即使在美、日等工业发达国家，采用高级控制技术的回路也只占很小的比例，9O% 以上的控制回路基本上还是采用PID控制器[3]。另外，PID控制自3O年代末开始，经过了几十年的发展，由模拟PID控制器发展到数字PID控制器，为了改善其性能，继而出现了非线性PID控制、选择性(PID—PD)控制、I-PD控制以及各种自适应PID控制算法等。
PID 控制器在长期应用中已积累了丰富的经验，然而, PID控制器能否得到有效的发挥,一方面与PID控制器结构设计有关,另一方面也与其参数整定有很大关系。特别在工业过程控制中，当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以应用时，系统控制器结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID技术最为方便。但是，随着科学技术的发展，对被控对象动、稳态性能要求越来越高，使得常规PID控制器不能满足要求，经过长时间的探索与研究，PID控制向智能化、自适应化、最优化方向发展的趋势已是明显的事实。
基于此，我选择了这次的毕业设计题目——PID控制器的设计与研究，希望通过对此课题的研究，能深入的了解并掌握这方面相关控制理论的知识，能将它运用到实际的控制中。本次毕业设计报告全面总结了我在这次毕业设计中对系统的分析与设计，包括硬件选择、系统结构设计、安装调试等方面内容。除此之外，对PID控制技术也作了详细的说明。
本设计报告共分4部分，1：简单介绍了PID控制及其发展的历程和研究趋势；2：方案论证；3：整个电路的设计及调试；4：结论。
I 模糊自整定PID控制器设计及仿真分析
摘 要
针对常规PID控制不具有自适应能力，对于时变、非线性系统控制效果不佳。提出了将模糊技术与PID控制相结合的控制方式，设计出各种模糊控制器。论文的主要内容包括：
1.介绍模糊控制技术的背景和重大意义，了解常规PID控制中的优点与缺点。
2.了解模糊控制的数学基础。例如：模糊集合的定义、模糊语言、模糊推理、模糊变量的隶属函数、论域、量化因子、比例因子等。
3.掌握MATLAB中模糊工具箱、SIMULINK的使用及模糊控制器的设计方法，对于不同的控制系统设计出对应的模糊控制器的规则。
4.对混合式模糊PID控制器、开关式模糊PID控制器、自整定模糊PID控制器进行SIMULINK仿真。
MATLAB中模糊逻辑控制工具箱设计模糊控制器灵活、方便、可观性强，并可在SIMULINK环境中非常直观地构建各种复杂的模糊PID控制系统。仿真结果表明，模糊PID控制具有控制灵活、超调小、响应快和适应性能强的优点。
关键词：模糊PID控制；MATLAB仿真；SIMULINK
II Fuzzy Adaptive PID Controller Design and Simulation
Analysis
Abstract
To the conventional PID control don’t have self-adaptive ,the control effect of time-varing and nonlinearity, We have already take the control method that combine fuzzy
technology with PID control, and design various the fuzzy controller. The main contents of
thesis is that:
第１０卷第４期 ２００６年７月 电 机 与 控 制 学 报 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ Ｖｏ１．１０ Ｎｏ．４ Ｊｕｌｙ ２００６
基于ＱＦＴ的ＰＩＤ控制器设计
吕恩海， 赵长安 （哈尔滨工业大学自动控制系，黑龙江哈尔滨１５０００１） 摘要：针对具有较大不确定性和强非线性的被控对象，提出了基于Ｑｒｒ的ＰＩＤ控制器设计法。 对于理想并行ＰＩＤ控制器，根据灵敏度及稳定裕度指标得到了显式控制器结构和参数，将ＰＩＤ转换 为积分加二阶因子的形式，在Ｑｒｒ框架下对系统中频特性进行调整。采用Ｑｒｒ对系统高频进行设 计，获得了满足全部Ｑｒｒ指标要求的ＰＩＤ控制器。对具有复杂非线性特性的Ｆ一１６攻角控制设计 了控制器，实现了对大攻角的精确控制。仿真结果表明，与应用Ｑｒｒ整形法设计的控制器相比， ＰＩＤ控制具有良好的响应特性，而控制结构得到了简化。 关键词：定量反馈理论；ＰＩＤ；飞行器控制 中图分类号：Ｖ２４９．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—４４９Ｘ（２００６）０４—０４０２—０５
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＱＦＴ
Ｌ０ Ｅｎ—ｈａｉ．ＺＨＡＯ Ｃｈａｎｇ—ａｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｌａｎｔ ｗｉｔｈ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｑｒｒ（ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｔｈｅｏｒｙ）ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｄｅａｌ ｐａｒａｌｌｅｌ ＰＩＤ，ｔｈｅ ｅｘｐｌｉｃｉｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｓｏｌｖｅｄ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｄｉｃｅｓ ｏｆ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｍａｒｇｉｎ．Ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｌ ｐｌｕｓ ａ ｓｅｃｏｎｄ ｏｒｄｅｒ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ Ｓ ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｓ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｕｎｉｎｇ ａｎｄ ．Ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｑｒｒ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ， ａｎｄ ａｌｌ Ｑｒｒ Ｓ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｆｕｌｆｉｌｅｄ ｂｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｏｆ ＡＯＡ（ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｔｔａｃｋ）ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｆ－１ ６ ａｉｒｃｒａｆｔ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｅａｔｕｒｅｓ．ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｗｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｐｅｒｆｅｃｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｙ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｌａｒｇｅ ＡＯＡ ｃｏｍｍａｎｄｓ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ Ｑｒｒ ｌｏｏｐ－ｓｈａｐｉｎｇ，ｔｈｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉＳ ｒｅｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｔｈｅｏｒｙ（ＱＦＴ）；ＰＩＤ；ａｉｒｃｒａｆｔ ｃｏｎｔｒｏｌ
基于SIMULINK的PID控制器设计与仿真
1.引言
MATLAB是一个适用于科学计算和工程用的数学软件系统，历经多年的发展，已是科学与工程领域应用最广的软件工具。该软件具有以下特点：数值计算功能强大；编程环简单；数据可视化功能强；丰富的程序工具箱；可扩展性能强等。
Simulink是MATLAB下用于建立系统框图和仿真的环境。Simulink环境仿真的优点是：框图搭建方便、仿真参数可以随时修改、可实现完全可视化编程。
比例-积分-微分（Proporitional-Integral-Derivative,PID）是在工业过程控制中最常见、应用最广泛的一种控制策略。PID控制是目前工程上应用最广的一种控制方法，其结构简单，且不依赖被控对象模型，控制所需的信息量也很少，因而易于工程实现，同时也可获得较好的控制效果。
2.PID控制原理
当我们不能将被控对象的结构和参数完全地掌握，或者是不能得到精确的数学模型时，在这种情况下最便捷的方法便是采用PID 控制技术。为了使控制系统满足性能指标要求，PID 控制器一般地是依据设定值与实际值的误差，利用比例（P）、积分（I）、微分（D）等基本控制规律，或者是三者进行适当地配合形成相关的复合控制规律，例如，PD、PI、PID 等。
图2-1 是典型PID 控制系统结构图。在PID 调节器作用下，对误差信号分别进行比例、积分、微分组合控制。调节器的输出量作为被控对象的输入控制量。
图2-1典型PID控制系统结构图
PID 控制器主要是依据给定值r（t）与实际输出值y（t）构成控制偏差，用公式表示即e（t）=r（t）-y（t），它本身属于一种线性控制器。通过线性组合偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D），将三者构成控制量，进而控制受控对象。控制规律如下：
101()()[()()]pdidetutKetetdtTTdt
其传递函数为：
()1()(1)()pdiUsGsKTSEsTs
