1、本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：专家 PID 控制在快速系统中的仿真及应用学 院： 专 业： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2015 年 06 月 07 日XX 大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计） ，是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均以明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日期： 目 录摘 要 .IIIABSTRACT .IV前 言 .1第一章 绪论 .21.1 研究的目的和意义 .21.2 国内外研究现状和发展趋势 .31.3 本课题的主要研究内容 .
2、4第二章 PID 控制器综述 62.1 常规 PID 控制器概述 .62.2 积分分离 PID 控制器 .82.2.1 积分分离 PID 控制原理 82.2.2 积分分离 PID 的主要用途 92.3 专家 PID 控制器 .92.3.1 智能 PID 控制概述 92.3.2 专家 PID 控制原理 .10第三章 专家 PID 控制及积分分离 PID 控制在 MATLAB 上的实现 .133.1 MATLAB 简介 .133.1.1 MATLAB 简介 .133.1.2 SIMULINK 介绍及建模方法 .133.2 基于 MATLAB 的积分分离 PID 控制器设计 .153.2.1 积分分
3、离 PID 控制器的 simulink 程序设计 153.2.2 设计过程中的问题分析 .183.3 基于 MATLAB 的专家 PID 控制控制器设计 .183.3.1 专家 PID 算法的 MATLAB 实现 183.3.2 专家 PID 控制器的 M 文件实现 213.3.3 专家 PID 控制器的 simulink 程序设计 243.3.4 设计过程中的问题分析 .27第四章 系统数学模型的建立 284.1 数学模型的建立方法 284.1.1 数学模型概述 284.1.2 数学建模的一般方法 284.2 基于本课题的数学模型建立 304.3.1 实验设备简介 .304.3.2 快速系统
4、简介及控制对象的确定 .324.3.3 建立流量控制系统数学模型 .32第五章 专家 PID 和积分分离 PID 在流量控制系统中的应用 365.1 积分分离 PID 在流量控制系统中的仿真 365.2 专家 PID 控制在流量系统中的仿真及分析 375.2.1 专家 PID 在流量控制系统中的 simulink 仿真 .375.2.2 控制系统阈值的重要性分析 385.2.3 专家 PID 控制器的自适应能力分析 .405.3 两种 PID 算法对比 425.4 专家 PID 控制系统的优缺点及解决方案 43第六章 结论 45参考文献 .47致 谢 48附录 1： 实验控制系统总貌图 .49
5、附录 2： 实验设备硬件接线图 .50附录 3： 实验系统的阶跃响应曲线 .51专家 PID 控制在快速系统中的仿真及应用摘 要智能化理论是 PID 智能控制器构成的基础，当前智能化理论主要是指专家系统、模糊集理论、神经网络、混沌集理论等内容。作为专家系统的知识，是实践经验丰富、被证明是有效的知识。论文主要研究专家 PID 控制器的设计及其在流量控制系统中的应用，完成了以下工作：（1）首先介绍了专家 PID 控制和积分分离 PID 控制的原理，并运用 MATLAB 实现了对两种 PID 控制器的设计及 simulink 仿真，且对两种 PID 控制器进行了比较。（2）其次，文中还对建立数学模型
6、的方法进行了介绍，并针对本课题和实验设备，选取流量为被控对象，使用阶跃响应曲线法建立了流量系统的数学模型。（3）再次，针对流量系统数学模型，设计了基于专家 PID 控制算法和积分分离PID 控制算法的控制器，对基于两种控制器的流量系统从系统跟随性、抗绕性等方面进行了研究。除此之外，对专家 PID 控制器中阈值对系统的影响以及专家 PID 控制系统自适应能力进行了简要分析。仿真结果表明，专家 PID 和积分分离 PID 的控制效果各有其优点，但专家 PID 控制采用多分段控制，其控制精度更好，且具有优越的抗扰性能。关键词 ：专家 PID，专家系统，快速控制系统，simulink 仿真，积分分离
7、PIDExpert PID control in fast systems simulation and applicationABSTRACTThe intellectualized theory is the foundation which the PID intelligence controller constitutes, The current intellectualized theory is mainly refers to contents expert system, fuzzy set theory, neural network, chaos collection
8、theory and so on. As expert systems knowledge, is the experience rich, is the effective knowledge by the proof. The paper mainly studies controllers design of the expert PID and its application in flow control system. Completed the following work:(1)、First, Thesis describes the principle of expert P
9、ID control and integral separation PID control, And use MATLAB implementation the two kind of PID controller design and the simulink simulation, And has carried on the comparison to two kind of PID controllers.(2)、Second, In the article a mathematical model of the method were introduced also. And fo
10、r this task and experimental equipment, Select the flow of charged objects, Established a mathematical model of traffic system Through step response curve law.(3)、Third, In view of mathematical model for the flow system, Designed the controller based on expert PID control algorithm and the integral
11、PID control algorithm separation, based on the two controllers of flow system. In addition, Briefly analyzed the influence on expert PID controller in the system of threshold and the auto-adapted ability of expert PID control system.The simulation result show that the control effect of expert PID an
12、d the integral separates PID has its own advantages, But experts PID control uses the multi-section control,its control precision is better, and has excellent anti-interference performance. Keywords：Expert PID, Expert system, Rapid Control Systems, Simulink simulation, integral separates PIDXX 大学本科毕
13、业论文（设计） 第 1 页前 言近十几年，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现已成为工业过程控制的重要组成部分。智能控制与常规 PID 控制相结合，形成所谓智能 PID 控制，这种新型的控制方式已引起人们的普遍关注和极大兴趣，并已得到较为广泛的应用。PID 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。在 PID 控制中，一个至关重要的问题是 PID 参数(比例系数、积分时间、微分时间)的整定。参数整定的优劣不仅会影响到控制质量，而目还会影响到控制系统的稳定性和鲁棒性。实际工
14、业生产过程往往具有非线性、时变等不确定性干扰，常规 PID 控制器经常出现参数整定不良、控制性能欠佳，且对运行工况的适应性较差等情况 2。针对以上问题，长期以来，人们一直在寻求 PID 控制器的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。专家智能自整定 PID 控制器是将专家控制与常规PID 控制相结合而具有的自整定、自学习等功能，可以用来描述复杂系统的特性，并通过学习和自组织得到相应的控制策略。论文以 Matlab 为基础，研究了两种控制算法：积分分离的 PID 和专家 PID 算法，并结合实验室实验装置，取流量为被控对象，分别建立了流量控制系统的积分分离式PID 控制器及专家 PID
15、 控制器，通过对比研究，分别指出了两种控制器的特点及存在问题。XX 大学本科毕业论文（设计） 第 2 页第一章 绪论1.1 研究的目的和意义目前，智能控制已广泛地应用于自然科学和社会科学的各个领域，如:复杂的工业过程控制、机器人与机械手的控制、航天航空控制、交通运输控制等，尤其当被控对象模型包含有不确定性、时变、非线性、时滞、藕合等难以控制因素、采用其它控制理论难以设计出合适并符合要求的系统时，都有可能应用智能控制理论获得满意的解决 2。专家控制是智能控制的一个分支，是先进控制的一种。其实质是利用专家经验来设计控制器，使控制器具有智能。本文的目的是用两种 PID 算法来实现 PID 控制在快速
16、系统中的仿真及应用。即：专家 PID 和积分分离式 PID。根据偏差的比例（P ） 、积分（ I） 、微分（D）进行控制（简称 PID 控制） ，是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。但是，要想取得好的控制效果，必须离线或者在线整定 PID 控制器的参数，使之具有合理的数值。实际上，任何一个有效的控制设计都需要包含人的经验知识、判断技巧和直觉推理能力。基于这一想法，本文根据专家系统控制原理，设计了一种专家整定 PID 控制器，试图把人的判断技巧与推理能力参与到控制系统设计中去。在专家整定 PID 控制系统中，PID 参数的整定工作由专家系统实现，控制信号仍然由 PID 控制器给出，专家系统只
17、是间接地影响控制过程。专家系统拥有整定专家的知识（调试规程） ，它可以根据控制过程提供的实时信息，自动地在线整定 PID 参数，改善控制性能。且专家控制器具有进入稳定状态快的特点；采用专家 PID 控制器对具有非线性、时变性和分布参数等特性的对象能够得到较好的控制效果。文中以流量系统为例，并设计积分分离 PID 控制器，与专家 PID 控制器相对比，来研究两种算法的优缺点。积分分离 PID 控制基本思路是，当被控量与设定值偏差较大时候，取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。当前智能控制器在生产过程控制中的应用
18、都比较单一，一般都起着代替控制系统中 PID 控制器的作用。另外无论是神经网络还是模糊控制直接应用于快速时变对象、非线性对象、大滞后对象与多干涉扰动对象都还存在着很多困难。因此，对智能控制XX 大学本科毕业论文（设计） 第 3 页系统的研究是极为重要的。1.2 国内外研究现状和发展趋势现代控制工程基本围绕下面两个问题进行：设计时对被控对象及其环境的信息要求越来越少和能在变化了的环境或未知环境下工作这对以精确数学模型为基础的经典控制理论和自适应控制技术来说，目前是一个难以逾越的障碍以研究不确定性问题为目的的人工智能（AI）的发展正在逐步解决上述问题。近十年来，AI 的发展很迅速专家系统(ES)
19、是 AI 中最活跃的一个领域， ES 和智能控制所研究的问题都具有不确定性.Astrom 第一个将两者结合，提出专家控制。专家智能控制系统(EICS)能很好解决现代控制工程提出的问题，因为它避开了装置的数学模型。自动化仪表中的调节仪表，经历了基地式仪表、单元组合仪表或组装仪表、DDC工业控制机、DCS 或 PLC 已发展至现场总线系统。尽管装置在信号传送方式、计算运算方式、元器件等方面都发生了巨大的变化，然而核心的控制模式或控制算式却始终以 PID 为主，PID 控制的研究历史最悠久，在过程控制中，应用最广泛，获得的成效也很大，这同 PID 本质的鲁棒性、本质的优化结构模式与本质的智能化特色密
20、切相关。PID 的研究包括如下几个方面：PID 最优参数整定；PID 算式的最优化结构；以 PID 为基础的先进控制系统；自适应 PID；专家系统与智能 PID。其中，后两个方面在模糊集理论、神经网络、遗传算法、混沌集理论等研究的推动下，可以说已经到了白炽化。PID 控制方式经历了 60 多年的应用考验，已证明是一种很好的控制器模式，尤其引人注目的是近年来电气传动及机电控制等非自动化仪表传统的应用领域，也都采用PID，可以说 PID 应用领域已大为扩大。国际著名的自动化仪表厂商都十分注意 PID功能的应用，如 20 世纪 70 年代至 80 年代中期，从 DCS 的 PID 组态，扩大各种 P
21、ID控制功能（如抗积分饱和、叠加逻辑状态等）到推出自整定 PID 控制器（如日本东芝公司的 Fuji Micer 自整定调节器、美国 Foxboro 公司的 Exact 自整定调节器、日本横河电机株式会社的 YS-80 专家自整定调节器） 。DCS 装置，如 Honeywell 公司的 TDG-3000、PLC 系统装置、 OMRON 等都提供实现组态的多种编辑器，如 IEC1131 标准的5 种编程语言：SFC（顺序功能图） 、FBD（功能块图） 、LLD（梯形逻辑图） 、IL（指令语句表）以及 ST（结构化文本） 。国外著名 DCS 公司还都纷纷将仿人智能控制作为软件植入系统装置，从而使智
22、能控制进入了商品化与实用化。由于工业生产过程复杂，XX 大学本科毕业论文（设计） 第 4 页非线性、时变性、时滞性都很突出，客观上对人工智能控制有要求，这就是可能潜在巨大的商机，也是智能控制倍受关注的原因之一 3。近年来人工智能的迅速发展为控制理论及应用开辟了崭新的道路，人工智能和控制理论的结合产生了智能控制。通过对系统特征状态的识别，构造专家式智能 PID 控制器是一种行之有效的实现智能控制的方法。在理论研究特别在应用方面，国内与国外差距明显。国外如日本、欧美等国家不但在理论研究方面走在前列，而且已经有成功应用的产品，Yokogawa 电气和 Fuji 电气的温度控制器，它们把模糊逻辑与标准
23、的 PID 控制集成在一起来抑制超调，取得了成功。而国内重复研究的多，创造性研究的少；停留于仿真成果的多，能够在工程上应用的少，尤其是运行时问较长的智能 PID 控制器可以说微乎其微。这一状况需要广大理论工作者和工程技术人员共同努力，尽快转变这一局面。智能 PID 控制方法将智能控制与传统 PID 控制结合起来，可以很好地控制复杂的非线性系统，兼顾了各种方法的优点。随着控制理论和计算机软硬件技术的不断发展和传感器集成化程度的提高，智能 PID 控制必将是极有发展前途的研究和应用方向。目前，专家 PID 广泛应用于自动化仪表、工业控制、动力装置控制等各个领域。并且随着控制理论和计算机软硬件技术的
24、不断发展和传感器集成化程度的提高，专家智能 PID 控制必将是极有发展前途的研究和应用方向。近年来，人们普遍认为:基于知识和经验的专家系统、基于模糊逻辑推理于计算的模糊控制、基于人工神经网络的神经网络控制及以上方法的交叉与融合，将是今后的研究热点。1.3 本课题的主要研究内容课题基本内容为专家 PID 控制在快速系统中的仿真及应用。设计积分分离的 PID控制器，专家 PID 控制器，并以快速系统为例，在 MATLAB 上分别使用这两种控制器对系统进行设计及仿真。根据设计的研究顺序，主要做了以下学习与研究。（1） 、先对本课题所涉及的专家 PID 控制与积分分离 PID 控制的原理与控制算法进行
25、了介绍；（2） 、选一任意快速系统为被控对象，运用 MATLAB 工具对两种 PID 控制算法进行 simulink 程序设计及仿真。并对程序设计过程中的一些问题进行了分析；（3） 、基于实验设备，选流量为快速系统被控对象，并用实验阶跃响应曲线发建XX 大学本科毕业论文（设计） 第 5 页立控制系统数学模型；（4） 、用所设计的两种 PID 控制算法的 simulink 程序，以流量控制系统为被控对象进行仿真。在此，对专家 PID 控制中的一些规则设置进行了分析，并将专家 PID 控制与积分分离 PID 控制算法相对比，研究了两种 PID 控制的抗扰性、稳定性及控制精度。文中还对控制系统数学建
26、模的一般方法进行了介绍，以及针对本课题的数学建模方法的叙述。整个论文将控制系统从对任意系统仿真到针对实际控制系统进行建模及仿真，做了流程性的讲述。XX 大学本科毕业论文（设计） 第 6 页第二章 PID 控制器综述2.1 常规 PID 控制器概述在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器以其结构简单、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。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采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控
27、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。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。常规 PID 控制是一种线性控制，它根据给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成控制偏差 e(t)，将偏差 e(t)的比例(P)、积分(I) 和微分(D) 通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制。常规 PID 控制见图 2-1。图 2-1 普通 PID 控制框图控制规律如下：(2-1) 经拉氏变换，整理成传递函数形式为：(2-2)在数字控制系统
28、中，使用的是数字 PID 控制器，离散化后表示为：(2-3)XX 大学本科毕业论文（设计） 第 7 页其中：T 为采样时间；Ti、Td 分别为积分时间常数和微分时间常数；Kp、Ki、Kd分别为比例增益、积分增益和微分增益。正确地整定 PID 数字控制器的参数Kp、Ki、Kd 是 PID 控制的关键。(1)比例环节：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） 。比例控制能迅速反应误差，偏差一旦出现，比例环节立即产生作用来减小误差。比例作用加大，可以提高系统的响应速度，减小稳态误差；但比例作用
29、过大会使动态性能变坏，超调增加，还会导致闭环系统不稳定。(2)积分环节：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。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error ） 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。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。因此，比例+积分(PI) 控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。积分环节的作用是使系
30、统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti 越小,积分作用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成 PI 调节器或 PID 调节器。积分作用有利于消除稳态误差，但又会使系统过渡过程变长；同时，积分的作用太大会使系统的超调增加，甚至使系统出现振荡。(3)微分环节：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
31、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。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往XX 大学本科毕业论文（设计） 第 8 页是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统
32、的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。微分作用适当增大有利于减小超调，但会使调节时间增加；同时，微分作用会使系统对扰动的抑制能力减弱，在误差信号带噪声的情况下，还会起到放大噪声的作用 5。总之，微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前 ,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节 ,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分
33、作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成 PD 或 PID 控制器。2.2 积分分离 PID 控制器2.2.1 积分分离 PID 控制原理在普通 PID 控制中，引入积分环节的目的主要是为了消除静差。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成 PID 运算的积分积累，致使控制量超过了执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量，引起系统较大的超调，甚至引起系统较大的振荡，这在生产过程中是绝对不允许的 4。积分分离控制基本思想是：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分的作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控
34、制，以便消除静差，提高控制精度。其具体实现步骤如下：(1)根据实际情况，人为设定阈值 0；(2)当|error (k)|，采用 PD 控制；(3)当|error (k)| ，采用 PID 控制。积分分离控制算法可表示为：XX 大学本科毕业论文（设计） 第 9 页式中：e (k)是 k 时刻调节器的输入与输出的偏差量；Kp 是比例系数；Ki 是积分系数；Kd 是微分系数；T 为采样周期； b 为积分项的开关系数，在实际编程当中，也可以对积分分离 PID 进行改进，采用分段积分分离的方式，根据误差绝对值的不同，采用不同的积分强度。2.2.2 积分分离 PID 的主要用途积分分离 PID 控制，在系
35、统误差较大时，取消积分环节；当误差较小时，引入积分环节，从而使系统的静态和动态性能指标较为理想。积分分离 PID 控制充分发挥了PID 控制调节精度高的优点，提高了系统的控制精度。该控制器具有很好的动静态性能，是一种行之有效的控制器。积分分离 PID 控制系统具有无震荡、快速性好、控制精度高等优点。能实现精确的变频调速闭环控制,调节质量好。积分分离 PID 控制算法的工程实践性很强,要根据具体的系统特点来选择修正策略,在实际应用当中可根据误差绝对值的不同采用不同的积分强度。积分分离 PID 控制应用于交流伺服系统的位置实时控制，可使控制过程的静态、动态性能指标较为理想。在温度控制系统中，用积分
36、分离方法控制效果较普通 PID 控制方法有很大的改进!采用积分分离 PID 控制算法可使系统实现无超调控制保证器件不会因为过热对试验产生不好的影响。2.3 专家 PID 控制器2.3.1 智能 PID 控制概述概括的讲，智能控制就是拟人智能的控制，也就是说，所设计的控制系统不仅能自动地处理数据、信息，而且能处理知识，具有推理、判断、决策等能力，是人工智能、计算机技术与控制理论相结合的控制。我们认为，基于解决复杂系统控制问题的智能控制己不是一个学科所能解决的了的。为了使控制系统实现一定的智能，必须应用人的经验知识、技巧和直觉推理等能力，并把他们系统化、理论化。智能控制是目前正在迅速发展的一个领域
37、，各种形式的智能控制系统、智能控制器XX 大学本科毕业论文（设计） 第 10 页不断地被开发和利用。智能控制可以应用在许多领域，如智能交通管理系统，大规模集成化制造系统等。把它应用在 PID 控制方案中，仅是一个方面。根据智能技术的类别可将当前的 PID 控制分为 3 类:基于模糊逻辑的智能 PID 控制器; 基于专家系统的智能 PID 控制器和基于神经网络的智能 PID 控制器。不同智能技术的整合往往可以构成更好的智能 PID 控制器 6。PID 控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程控制领域仍有近
38、 90%的回路在应用 PID 控制策略。 PID 控制中一个关键的问题便是 PID 参数的整定。但是在实际的应用中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点。在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间和工作环境的变化而变化。这就要求在 PID 控制中，不仅 PID 参数的整定不依赖于对象数学模型，并且 PID 参数能够在线调整，以满足实时控制的要求。智能控制(IntelligentControl)是一门新兴的理论和技术，它是传统控制发展的高级阶段，主要用来解决那些传统方法难以解决的控制对象参数在大范围变化的问题，其思想是解决PID 参数在线调整问题的
39、有效途径。近年来，智能控制无论是理论上还是应用技术上均得到了长足的发展，随之不断涌现将智能控制方法和常规 PID 控制方法融合在一起的新方法，形成了许多形式的智能PID 控制器。它吸收了智能控制与常规 PID 控制两者的优点。首先，它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定控制参数、能够适应被控过程参数的变化；其次，它又具有常规 PID 控制器结构简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。正是这两大优势，使得智能 PID 控制成为众多过程控制的一种较理想的控制装置。2.3.2 专家 PID 控制原理专家控制系统是智能控制的主要内容之一，建立在控制理论
40、和人工智能技术基础之上，为工业自动化控制的系统设计提供了新的方法。与一般的经典控制系统相比，专家控制系统的基本特性，是基于知识的结构和处理不确定性问题的能力。尽管己有许多方法来提高经典控制系统处理不确定性问题的能力，如鲁棒控制、自适应控制等，但是它们仍然难以应用到工业过程中.这是因为传统先进控制系统采用的是纯粹的分析结构、线性和时不变约束等，而且难以被用户理解。XX 大学本科毕业论文（设计） 第 11 页通过引入专家系统技术，使系统具有灵活性、可靠性和处理不确定信息的能力:可以进行预测、诊断错误、给出补救方案，并且监视其执行，以保证控制性能。专家 PID 控制是在常规 PID 控制的基础上，根
41、据专家及操作人员的实际经验，针对具有大滞后、时变、非线性系统而提出的控制方法。其主要特点是分区进行不同算法的调节，它既有 Bang-Bang 控制（最优控制）的快速性，又有迟滞控制的稳定性和抗干扰能力。专家整定 PID 控制器，把人的判断技巧与推理能力参与到控制系统设计中去。在专家整定 PID 控制系统中，PID 参数的整定工作由专家系统实现，控制信号仍然由 PID 控制器给出，专家系统只是间接地影响控制过程。分区控制算法通过检测系统误差所处的区阈，采取不同的控制策略 5。如图 2-2 所示。图 2-2 分区控制以典型二阶系统的阶跃响应为例，分析在各阶段适时改变 PID 参数对系统动态过XX
42、大学本科毕业论文（设计） 第 12 页程的影响。典型二阶系统的阶跃响应如图 2-3 所示。图 2-3 典型二阶系统的阶跃响应(1)当|e (t)|emax 时，系统误差很大，处于 III 区，无论运动在哪个阶段，为保证系统有较快的响应速度，采用 Bang-Bang 控制，即控制器按正向或负向最大输出，以最快速度减小系统误差。(2)当 emid|e(t)|0，e0，即误差 e 向减小的方向变化，逐渐减小比例增益参数，使系统尽快回到稳态区(|e (t)|0 ，e0，即误差 e 向增大的方向变化，逐渐增大比例增益参数；XX 大学本科毕业论文（设计） 第 13 页此时的系统输出背离希望值，应始终加强积
43、分作用，适当引入微分作用。总之，专家 PID 控制的思想就是以误差 e 和误差变化率 e为约束，对不同阶段的PID 参数进行智能整定，以适应对动态性能和稳态精度都较高的控制系统。XX 大学本科毕业论文（设计） 第 14 页第三章 专家 PID 控制及积分分离 PID 控制在 MATLAB 上的实现3.1 MATLAB 简介3.1.1 MATLAB 简介MATLAB 是一个集数值计算、符号分析、图象显示、文字处理于一体的大型集成化软件.它最初由美国的 CleveMoler 博士所研制.其目的是为线性代数等课程中的矩阵运算提供一种方便可行的实验手段.经过十几年的市场竞争和发展，MATLAB 已发展
44、成为在自动控制、生物医学工程、信号分析处理、语言处理、图像信号处理、雷达工程、统计分析、计算机技术、金融界和数学界等各行各业中都有极其广泛应用的数学软件.归纳起来，MATLAB 具有以下几个特点：易学、适用范围广、功能强、开放性强、网络资源丰富.由于 MATLAB 的强大功能，它能使使用者从繁重的计算工作中解脱出来，把精力集中于研究、设计以及基本理论的理解上，所以，MATLAB 已成为在校大学生、硕士生、博士生所热衷的基本数学软件.MATLAB 语言的特点如下 7：(1)MATLAB 语言的简洁高效性使编程效率高(2)用户使用方便(3)MATLAB 语言的科学运算功能(4)语句简单，内涵丰富(
45、5)高效方便的矩阵和数组运算(6)扩充能力强，交互性好(7)移植性和开放性很好(8)MATLAB 语言方便的绘图功能(9)MATLAB 庞大的工具箱与模块集(10)MATLAB 强大的动态系统仿真功能3.1.2 SIMULINK 介绍及建模方法Simulink 的功能远不止微分方程的求解，它提供了各种可用于控制系统仿真的模块，支持一般的控制系统仿真，此外，还提供了各种工程应用中可能使用的模块，如电机系统、机构系统、通信系统等的模块集，直接进行建模与仿真研究。Simulink 的XX 大学本科毕业论文（设计） 第 15 页功能十分强大，可以借用其本身或模块集对任意复杂的系统进行仿真。SIMULI
46、VK 是 MATLAB 最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无须书写大量的程序.而只要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的仿真模型。SIMULINK 的主要优点如下 7：(1)适应面广。该系统包括：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。(2)结构和流程清晰。它外表以方块图形式呈现，且采用分层结构，既适于自上而下的设计流程( 概念、功能、系统、子系统，0.至器件)，又适卜自卜而上逆程设计。(3)仿真精细、贴近实际。它提供大量特种函数模块(包括非线性在内)，为用户摆脱理想化假设的无奈提供了途径。SIMULINK 使得 M
47、ATLAB 的功能得到了进一步的扩展。 SIMULINK 由模块库、模型构造及指令分析和演示程序组成，是一个模块化、模型化的系统动态仿真环境。用户应用 SIMULINK 对系统进行建模、仿真和分析时如同堆积积木一样简单方便，只需要在模型窗口中单击或是拖动鼠标即可。SIMULINK 不能脱离 MATLAB 而独立运行，但是它借助 MATLAB 在科学计算上得天独厚的优势以及可视化的仿真模型窗口，弥补了传统软件工具的不足。同时，SIMULINK 也是众多仿真软件中功能最强大、最优秀的一种软件工具。它使得动态系统仿真的实现相当方便，对系统的非线性因素和随机因素的研究也十分便捷、直观。通过 SIMUL
48、INK 还可以对电气、机械、通信等的连续、离散或是混合系统进行深入的系统建模、仿真与分析研究。正是因为MATLAB/SIMULINK 具有众多其他同类软件不具备的优点，所以才受到国内外学者和工程师的备加关注，得以不断地扩充和迅速发展，成为当今世界在科学计算和系统仿真领域里首选的软件工具。SIMULINK 这一名字的含义是相当直观的，因为它较明显地表明此软件的两个显著功能：simu(仿真)与 link(连接)，亦即可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，然后利用 SIMULINK 提供的功能来对系统进行仿真或线性化分析。一般而言，对控制系统进行计算机仿真，首先应建立系统模型。SIM
49、ULINK 建模的步骤是：(1)开始准备。要按 SIMULINK 格式输入一个系统模型，则应该首先启动SIMULINK 程序。我们可以在 MATLAB 命令窗口的提示符下键入 simulink 命令来启XX 大学本科毕业论文（设计） 第 16 页动 SIMULINK 程序，这时会将 SIMULINK 模型的模块窗口显示出来，(若 SIMULINK己经启动，则会自动将之调到前台)，同时还将自动打开一个空白的模型编辑窗口来建立新的系统模型。(2)画出系统的各个模块。打开相应的子模块库，选择所需要的模块，拖动到模型编辑窗口的合适位置。(3)给出各个模块的参数。各个模块中己给出默认的模型参数，要修改模块默认的参数，则需用鼠标双击该模块图标，这样就会出现相应的对话框，进一步提示用户如何修改模块的参数。(4)画出连接线。
