北京工业大学自动控制原理实验八 基于MATLAB的PID控制研究

基于MATLAB的PID控制器设计资料PID控制器是一种经典控制器，可用于控制各种线性和非线性系统。

本文将介绍基于MATLAB的PID控制器的设计资料。

首先，我们需要了解PID控制器的工作原理。

PID控制器由三个主要组成部分组成：比例（P）项、积分（I）项和微分（D）项。

比例项根据目标值和实际输出之间的误差进行控制；积分项对误差进行积分，以消除累积的误差；微分项根据误差的变化率来调整控制输出。

在MATLAB中，我们可以使用pid函数来设计PID控制器。

pid函数的基本用法如下：```matlabKp=1;%比例增益Ki=1;%积分增益Kd=1;%微分增益controller = pid(Kp, Ki, Kd); % 创建PID控制器对象```要使用PID控制器，我们需要知道系统的传递函数或状态空间模型。

传递函数模型可以通过tf函数表示，状态空间模型可以通过ss函数表示。

```matlabs = tf('s');H=1/(s^2+2*s+1);%创建传递函数模型```接下来，我们可以使用feedback函数将PID控制器与系统模型相连，并进行闭环控制。

```matlabsys = feedback(controller*H, 1); % 创建闭环系统模型```通过对PID控制器参数的调整，我们可以实现系统的稳定性、快速响应和抗干扰性。

使用MATLAB的pidTuner工具箱可以帮助我们自动调整PID控制器的参数。

另外，MATLAB还提供了一些其他用于控制系统设计和分析的函数，例如step函数用于绘制系统的阶跃响应曲线，bode函数用于绘制系统的频率响应曲线。

```matlabstep(sys); % 绘制系统的阶跃响应曲线bode(sys); % 绘制系统的频率响应曲线```以上是基于MATLAB的PID控制器设计的一些基本资料。

在实际应用中，还有很多高级技术和方法可以用于更精确地设计和调整PID控制器。

自动控制原理实验报告一、试验设计构造一个二阶闭环系统，使得该系统的%30≥p M对于任意二阶系统，其闭环传递函数为2222)(G nn nc s s s ωξωω++=，其中ξ为二阶系统的阻尼比，n ω为二阶系统的无阻尼振荡频率，该系统的超调量为πξξ21--=e M p 。

若要%30≥p M ，则0.36≤ξ。

取0.3=ξ，又n ω任意，所以取20=n ω，则要求设计的闭环传递函数为40012400)(2++=s s s G c 。

二、实验内容及步骤1.以MATLAB 命令行的方式，进行系统仿真，确定系统时域性能指标 num=[400]; den=[1 12 400]; step(num,den)由图可知，该系统的超调量为%30%37>=p M ，满足要求，上升时间为0985.0=r t ，峰值时间为164.0=p t ，调节时间为0.472=s t 。

2.通过改变系统的开环放大倍数K （分增大和减小两种情况）和系统的阻尼比系数（分增大和减小两种情况），进行系统仿真分析，确定新的性能指标，并与原构造系统的进行比较，根据响应曲线分析并说明出现的现象 （1）增大开环放大倍数num=[500]; den=[1 12 500]; step(num,den)由图可知，该系统的超调量为%30%42>=p M ，上升时间为0858.0=r t ，峰值时间146.0=p t ，调节时间0.48=s t 。

（2）减小开环放大倍数 num=[300]; den=[1 12 300]; step(num,den)由图可知，该系统的超调量为%30%31>=p M ，上升时间为119.0=r t ，峰值时间为0.1921=p t ，调节时间为0.455=s t 。

（3）增大阻尼比 num=[400];den=[1 12.4 400]; step(num,den)由图可知，该系统的超调量为%30%36>=p M ，上升时间为0995.0=r t ，峰值时间为0.163=p t ，调节时间为0.486=s t 。

基于matlab仿真的PID控制研究目录摘要.....................................................ⅡAbstract.................................................Ⅲ一、设计任务 (1)二、设计要求 (2)三、方案论证 (3)四、基于MATLAB下的系统模型搭建与仿真 (4)五、收获与总结 (15)参考文献 (17)附录 (18)摘要PID控制，又称PID调节，是比例（proportional）、积分（intergral）、微分（differential）调节的简称。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

在自动控制的发展历程中，PID调节是历史悠久、控制性能最强的基本调解方式。

PID调节原理简单，易于整定，使用方便；按PID调节功能工作的各类调节器广泛应用于国民经济所有工业生产部门，适用性特强；PID的调节性能指标对于受控对象特性的少许变化不是很灵敏，这就极大的保证了调节的有效性；PID调节可用于补偿系统使之达到大多数品质指标的要求。

直到目前为止，PID调节仍然是最广泛应用的基本控制方式。

关键词：PID调节AbstractPID control, also known as PID regulation is proportional (proportional), points (intergral), differential (differential) adjusted for short. PID controllers come out has been nearly 70 years of history, with its simple structure, good stability, reliable, easy to adjust and become one of the major technology industry control. In the development of the automatic control, PID regulation is a long history, the strongest performance of the basic control mediation. PID regulator principle is simple, easy tuning, easy to use; the work of the PID regulation function is widely used in various types of regulators in all industrial production sectors of the national economy, particularly strong applicability; PID regulation controlled object performance characteristics for a little change is not very sensitive, which greatly ensure the effectiveness of the regulation; PID regulator can be used to compensate the system so as to meet the requirements of most quality indicators. Until now, PID regulation is still the basic control the most widely used.Keyword：PID regulator一、设计任务PID 控制器具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，是迄今为止最稳定的控制方法。

基于MATLAB的PID控制器设计PID控制器是一种常见的反馈控制器，广泛应用于工业控制系统中。

它通过测量被控变量与目标值之间的差异，根据比例、积分和微分三个参数对控制输入进行调整，以实现对系统的稳定性、精度和响应速度的控制。

MATLAB是一个功能强大的数学计算软件，提供了丰富的工具和功能，可以方便地进行PID控制器设计。

下面将介绍基于MATLAB的PID控制器设计步骤和方法。

1.确定被控对象：首先需要确定需要控制的对象，即被控变量。

可以是温度、速度、位置等物理变量。

2.建立数学模型：在进行PID控制器设计之前，需要建立被控对象的数学模型。

可以使用系统辨识方法或根据物理原理进行建模。

3.设计PID控制器：PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个参数组成。

这些参数的合理选择对于控制器性能的好坏至关重要。

a.比例参数P：控制器输出的比例与误差的关系决定了控制器的灵敏度。

通过调整P参数的大小可以实现控制系统的稳定性和响应速度之间的折衷。

b.积分参数I：控制器积分误差的能力可以用来补偿系统误差和消除静态误差。

但是过大的积分参数可能导致系统震荡。

c.微分参数D：微分参数用来预测系统的变化趋势，通过减小过度调整和减少超调现象。

PID控制器的输出可以表示为：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt其中，u(t)为控制器的输出信号，e(t)为目标值与被控变量之间的差异，Kp、Ki、Kd为比例、积分和微分参数。

4. 参数调整：PID控制器的性能取决于参数的选择和调整。

在MATLAB中，可以使用PID Tuner工具进行参数调整。

该工具可以自动化地对PID参数进行优化，以达到系统的最佳稳定性和性能。

5.控制器实现：设计好PID控制器后，需要将其应用于实际控制系统中。

在MATLAB中，可以使用控制系统工具箱提供的函数和命令来实现控制器的设计和实现。

总结而言，基于MATLAB的PID控制器设计可以通过确定被控对象、建立数学模型、设计PID控制器、参数调整和控制器实现等步骤来完成。

基于MATLAB的模糊PID控制器的设计与研究自调整PID控制器可以很好的改善传统PID的控制效果，文章在MATLAB 仿真环境下进行了模糊自调整PID控制器的设计和研究，仿真结果表明模糊PID 控制器可以改进普通PID的控制效果，同时保证原PID控制的稳定性和可靠性。

标签：模糊控制；PID；MATLAB1 引言传统的PID控制因为其结构原理简单、易于实现且效果稳定，被广泛的应用于大部分的工业控制过程。

尽管近几十年来出现了许多先进的控制算法和智能控制策略，但典型的PID控制和各种改进型PID控制仍是过程控制的最实用的控制策略[1]。

但是近年来工业过程控制的复杂度越来越高，相应的对控制效果和效率的要求也随之提高。

传统PID调节的参数在整定后便投入过程控制中不再改变，缺乏灵活性和快速性，而参数可调节的各种自适应PID在一定程度上可以提高其适应性，同时保持原有的稳定性和可靠性，从而改进控制系统的控制效果。

模糊PID控制器是通过模糊推理进行PID参数的在线实时调整，模糊推理的规则来源于PID调节过程的各个阶段对参数的不同需要，根据PID控制器的输入量的情况去实时修正PID控制器的参数，以达到对传统PID控制的优化和改进。

2 模糊PID控制器的结构设计PID控制器的三个基本参数KP、KI和KD，通常先根据操作经验和计算仿真确定初始值，再根据实际的控制对象进行修改，最后投入实际运行过程进行细微的调节，以得到相对理想的最终控制效果。

因此传统PID控制最困难的部分就是基本参数的确定，需要丰富的调试经验才能找到相对合适的参数值，通常为了保证系统的稳定性必须在一定程度上降低控制的灵活性和反应速度。

模糊PID 作为参数自调整PID的一种方法，是通过将PID调节过程中的专家经验转变为模糊规则，通过模糊推理来修正调整其参数，在保证经典PID稳定性的前提下，适当提高控制的灵活度。

模糊控制是智能控制的一个重要分支，将人的自然语言所包含的知识转化为模糊函数，再通过计算机系统进行识别处理。

基于Matlab的PID控制器设计引言PID控制器是一种常用的闭环控制器，可以通过调整控制系统的输出，使其迅速、准确地响应给定的参考输入。

在Matlab中，我们可以利用其强大的控制系统工具箱来设计和实现PID控制器。

本文将详细介绍基于Matlab的PID控制器设计的步骤和方法，并结合示例演示其应用。

PID控制器概述什么是PID控制器PID控制器是一种比例-积分-微分控制器，可以通过对误差信号的比例、积分和微分操作来调整控制系统的输出。

其中，比例项负责反馈控制误差，积分项用于消除静态误差，微分项则用于抑制振荡和提高系统的响应速度。

PID控制器的基本原理PID控制器的输出由以下三个部分组成： - 比例项：比例项与控制误差成正比，生成一个与误差成比例的控制信号。

- 积分项：积分项计算误差的积分累加值，用于消除控制系统的静态误差。

- 微分项：微分项计算误差的导数，用于抑制振荡和提高系统的响应速度。

PID控制器的输出计算公式如下：u(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \cdot \int e(t) \, dt + K_d \cdot \frac{de(t)}{dt}其中，u(t)为控制器的输出，K_p、K_i、K_d分别为比例、积分和微分增益，e(t)为控制误差。

基于Matlab的PID控制器设计步骤1. 系统建模在设计PID控制器之前，我们首先需要对控制系统进行建模。

使用Matlab的控制系统工具箱，可以通过输入系统的传递函数或状态空间模型来进行建模。

示例：建模一个二阶惯性系统我们以一个简单的二阶惯性系统为例，其传递函数为：G(s) = \frac{1}{s^2 + 2s + 1}在Matlab中，我们可以使用tf函数来定义系统的传递函数模型：s = tf('s');G = 1/(s^2 + 2*s + 1);2. 设计PID控制器设计PID控制器的关键是选择合适的增益参数。

学校代码：10904学士学位论文鸡蛋破损检测系统姓名：诣学号： 2指导教师：业伟学院：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化完成日期：2021 年4月26日学士学位论文基于MATLAB的PID控制算法的研究姓名：学号：指导教师：学院：专业：完成日期：. - -摘要PID控制是一种便捷、稳定、直观的控制方式，它因为原理简单、控制效果好、应用对象广、并且易于实现而被广泛地应用于工程控制以及工业实践当中，也是迄今为止应用最为理想的一种控制方式。

当被控对象的构造和参数不能完全掌握，或得不到准确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的构造和参数必须依靠经历和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

本文在详尽阐述PID控制的根本原理和开展现状的根底上，对PID控制算法进展了深入的分析和研究，对几种PID控制算法的优缺点进展了比拟，改良了传统的PID控制算法，进展了PID控制参数整定，通过MATLAB/Simulink仿真直观的显示控制效果，进一步比拟分析，针对具体对象选择更加适宜的控制算法，为PID控制在实际工程中的广泛应用提供了行之有效的计算方法，大大节约了物资人力，提高了系统的工作效率。

关键词：PID；控制算法；MATLAB/Simulink；仿真；参数整定ABSTRACTThe control of PID is a kind of convenient, stable and intuitive control mode, it is because of simple principle, good control effect, wide application object, and is easy to implement and widely used in engineering control and industrial practice, It is the most ideal one way to control by far. When the structure and parameters of the controlled object is not be fully grasped, or not be a precise mathematical model, the control theory of other technology is difficult to use, the structure and parameters of system controller must depend on experience and on-site missioning to determine, then the application of PID control technology is the most convenient. When we don't fully understand a system and the controlled object, or cannot obtain system parameters through effective measures, It is most suitable for PID control technology.Detailed in this paper, the PID control is presented on the basis of the basic principle and development present situation, the PID control algorithm is carried on the thorough analysis and research, pares the advantages and disadvantages of several kinds of PID control algorithm, and improved the traditional PID control algorithm, through the MATLAB/Simulink intuitive display control effect, and further parative analysis, in view of the concrete object to choose more appropriate control algorithm, for PID control is widely used in practical engineering provides a effective calculation method, greatly saves materials for human, improve the work efficiency of the system.Key words: PID; Control algorithm; MATLAB/Simulink; The simulation;Parameter setting目录第1章绪论 (1)1.1 PID控制研究的开展和现状 (1)1.2设计目的和意义 (2)1.3设计的主要任务 (3)第2章PID控制算法32.1 PID控制原理 (3)2.2数字PID控制算法 (5)2.2.1 PID控制离散化52.2.2位置式PID控制算法 (6)2.2.3增量式PID控制算法 (7)2.2.4 位置式与增量式PID控制算法优缺点比拟 (8)2.3 改良型PID控制算法 (8)2.3.1积分项的改良 (8)2.3.2微分项的改良 (9)第3章PID参数整定及仿真 (12)3.1 PID参数整定的定义 (12)3.2 PID参数整定方法 (12)3.3 PID参数对控制系统的影响 (15)总结与展望 (23)致 (24)参考文献 (25)第1章绪论1.1 PID控制研究的开展和现状PID控制器起源并开展于二十世纪初，经过50多年的努力取得了颇为丰硕的成果。

基于matlab的pid控制器设计一、PID控制器的介绍PID控制器是工业控制领域中常用的控制器之一，也是最常见、最基础的控制器之一。

PID全称为Proportional-Integral-Differential，即比例-积分-微分控制器。

该控制器通过对目标系统的输入量进行比例、积分、微分处理，从而提高目标系统的稳定性和响应速度。

二、控制器设计的前提在进行PID控制器的设计之前，需要对被控对象的数学模型有一定的了解，包括传递函数和状态方程等。

同时，在PID控制器的设计过程中要有清晰的控制目标，比如控制系统的稳态误差、系统的响应速度等等。

三、基于MATLAB的PID控制器设计MATLAB是一个功能强大的数学计算软件，也是工程控制领域中常用的分析工具。

在MATLAB中，我们可以利用内置的PID工具箱来进行PID控制器的设计。

1. 设计PID控制器实际上，在MATLAB中设计PID控制器只需一行代码即可完成：>> C = pid(kp, ki, kd);其中，kp、ki、kd分别代表比例系数、积分系数和微分系数。

我们可以根据PID控制的要求来调整这些参数以获得最好的性能。

2. 仿真PID控制器在设计了PID控制器之后，我们需要将其嵌入到目标系统中进行仿真。

首先，我们要对被控对象进行建模，可以采用MATLAB提供的SIMULINK工具。

接着，将PID控制器与被控对象进行连接，并进行仿真。

>> sim('pid_controller');最后，我们可以通过结果分析工具来评估PID控制器在目标系统上的表现情况，从而进行参数调整和优化。

四、参考文献1. Skogestad, S. (2003). PID control: developments and directions. IEEE Control Systems Magazine, 23(2), 57-67.2. Astrom, K. J., & Hagglund, T. (1995). PID controllers: theory, design,and tuning. Instrument Society of America.3. Ljung, L. (1999). System identification: Theory for the user. Prentice-Hall.。

实验八 基于MATLAB 的PID 控制研究一、 实验目的：1 理解PID 的基本原理2 研究PID 控制器的参数对于系统性能的影响二、 实验设备1 pc 机一台（含有软件“matlab ”） 三、 实验内容1 利用matlab 软件，针对控制对象设计单闭环PID 控制系统2 通过调节PID 控制器的参数，研究PID 控制参数对系统性能的影响四、 实验原理 1 PID 的原理单闭环PID 的控制系统的作用框图如下：比例(P)控制比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。

比例控制作用及时，能迅速反应误差，从而减小稳态误差。

但是，比例控制不能消除稳态误差。

其调节器用在控制系统中，会使系统出现余差。

为了减少余差，可适当增大P K ，P K 愈大，余差就愈小；但P K 增大会引起系统的不稳定，使系统的稳定性变差，容易产生振荡。

积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

输入—积分控制的作用是消除稳态误差。

只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。

积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。

微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

自适应模糊PID控制仿真报告
1。

自适应模糊控制的规则
49条专家控制规则：
2。

系统仿真框图
包括模糊控制器，PID控制器两部分组成。

3.模糊控制器设计
确定为双输入,三输出结构
确定每个变量的论域，其中每个变量都有一个模糊子集来表示。

这个模糊子集中有7个语言变量,分别是：NB，NM，NS,ZO,PS,PM,PB
在编辑界面中，确定好每一个语言变量的范围,以及隶属函数的类型。

如下图所示：
输入模糊控制规则：
仿真结果
PID控制器Kp参数在控制过程中的变化曲线：
Ki参数：
Kd参数：
系统闭环控制阶跃响应曲线：
传统PID控制响应曲线：(ZN整定法）
对比可以发现，自适应模糊PID控制不仅使曲线超调量小，响应过程平稳，而且动态响应时间也较短.性能优于传统PID控制器。

对比如下：(PID采用cohen-coon整定法）红色为常规PID控制器，黄色为模糊PID控制器
采用ZN法整定后对比：
而且在仿真中发现一个问题：ZN法整定存在不稳定问题，但模糊控制则非常平稳
加干扰的控制对比系统框图
对比效果:
对应的模糊PID参数变化情况: P
PI
PD。