1、关于基于 Matlab 的 PID 控制器设计及仿真课题答辩1)开场白：各位老师各位同学下午好，我的课题名称是:基于Matlab 的 PID 控制器设计及仿真,我的导师是张东辉老师。2) 今天我的主讲内容从以下五个方面展开：第一部分是课题背景和意义：1、背景：PID 控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID 控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器 (至今在全世界过程控制中用的 84%仍是纯 PID调节器，若改进型包含在内则超过 90%)。自 Zie g ler 和 Nichols（尼克尔斯）提出 PID 参数整定方法起，有许
2、多技术已经被用于 PID 控制器的手动和自动整定。Astrom 在 1988 年美国控制会议上作的面向智能控制的大会报告概述了结合于新一代工业控制器中的两种控制思想自整定和自适应，为智能 PID控制的发展奠定了基础。目前，在众多的整定方法中，主要有两种方法在实际工业过程中应用较好，一种是由福克斯波罗（Foxboro）公司推出的基于模式识别的参数整定方法（基于规则） ，另一种是基于继电反馈的参数整定方法（基于模型） 。意义：一个自动控制系统要能很好地完成任务，首先必须工作稳定，同时还必须满足控制过程的质量指标要求。即：系统的响应快慢、稳定性、最大偏差等。很明显，自动控制系统总希望在稳定工作状态下
3、，具有较高的控制质量，我们希望持续时间短、超调量小、摆动次数少。为了保证系统的精度，就要求系统有很高的放大系数，然而放大系数一高，又会造成系统不稳定，甚至系统产生振荡。反之，只考虑控制过程的稳定性，又无法满足精度要求。因此，控制过程中，系统稳定性与精度之间产生了矛盾。因此就有了 PID。2、课题内容：五点：1) 了解该课题在国内外研究的现状（有哪些人研究过该课题，成果如何，还存在什么缺陷） ；研究该课题的目的及意义（对我本身有什么意义，对该课题本身又有什么意义，研究的最终目的是要解决具体什么问题） 。2) 学习实现该课题 MATLAB GUI 软件的一些基本界面操作。3) 学习 PID 控制器
4、的结构和工作原理：控制参数对控制性能的具体影响：比例作用对控制性能的影响；积分作用对控制性能的影响；微分作用对控制性能的影响。4) 数字 PID 控制器中什么是位置型 PID 控制器和增量型 PID 控制器，他们各自又有什么优缺点。5) PID 控制器软件方面的控制需要哪些按钮，如何设计排布。6) 什么是 PID 参数整定，为什么要进行 PID 的参数整定，PID 参数整定又有哪些方法，这些方法的适用范围和优缺点又是如何，它们都是如何具体的实现 PID 参数整定的。7) 根据参数整定对上面设计好的 MATLAB GU 系统界面进行编程。8) 对各个 PID 参数整定方法进行仿真，仿真结果不满意
5、该如何调试。9) 总结经验及数据，对仿真结果进行综合分析，从而得出最终结果：哪一个仿真效果好，具体原因。3、课题目的及拟要研究的内容：PID 控制中最重要的是对其参数的控制，所以当今国内外 PID 控制技术的研究主要是围绕如何对其参数整定进行的。而本课题的目的就是通过理论知识的学习和理解，自行设计一个基于 MATLAB 技术的简单、高效和具有很强适应性和灵活性的 PID 控制器，并能最终将其应用于一项具体的控制过程中。要解决的关键问题有：对于单输入单输出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下的 PID 参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量
6、的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显着耦合的多变量过程的多变量 PID 参数整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线整定。智能 PID 控制技术有待进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自动诊断功能；结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有 PID 控制器设计思想及整定方法进行改进；将预测控制、模糊控制和 PID 控制相结合，进一步提高控制系统性能。4、研究思路和方法：分七步走：1） 、PID 任务分析设计。从图书馆以及从网上查阅该课题的相关内容，看别人是如何一步步完成该课
7、题的，对课题的意义及其在国内外研究的现状还有系统构成、PID 控制原理有所了解。PID 控制器是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。如图 1。对 PID 工作原理有了一定了解后接着再整体对任务书里的每个设计任务进行分析，进行总体规划并设定具体目标和各个时期的研究内容 2)、MATLAB GUI 界面构思：学习研究的辅助工具MATLAB GUI，包括 GUI 的界面按钮作用以及学习如何创建其回调函数并通过多次练习编程从而慢慢能够根据需求自行设计正确简洁的程序。然后根据过去所学知识、网上学到的新知识大致知道需要设计哪些按钮和显示器，再通过从网上查看别人设计出的 PID 系统
8、界面的样子对自己要设计的系统界面在脑中有一个大致的图像，再通过类似练习自己掌握基本的系统界面设计，并且能够分辨该用哪个回调函数。3） PID 控制器的结构和工作原理：如图一所示，PID 控制器是由比较元件、控制器（比例、积分、微分） 、传感器（及反馈元件）四部分组成，作为一种线性控制器，根据给定值和实际输出值构成控制偏差，经比较元件比较之后对偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。4） 、PID 参数整定：在 PID 控制器的设计中，参数整定是最为重要。因为参数直接决定了系统最后到底是发散还是等幅或衰减振荡进而影响控制精度。PID控制器参数整定，是指在控制规律已经确定
9、为 PID 形式的情况下，通过调整PID 控制器的参数，使得由控制对象、控制器等组成的控制回路的动态特性满足期望的指标要求，达到理想的控制精度。参数整定的方法有临界比例度法（又称稳定边界法） 、反应曲线法、衰减曲线法、仪表参数自整定法四种，并且对各自的具体操作方式有了解，然后进行各自的参数整定。5）MATLAB 编程 6）图一 PID 控制结构图MATLAB GUI 调试 7）仿真分析：知道了大概如何进行参数整定之后就返回到MATLAB 界面开始具体的回调函数的编程，首次编程完成后进行仿真，如果结果不理想接着回去修改参数，反复调试，调试方法可以用到 MATLAB GUI 的断点运行和运行节来具体到每一串函数的修改调试，直至得到持续时间短、超调量小、摆动次数少的较好的结果，总结优缺点并得出结论。接着进行下一个参数整定方法的运行、调试总结5 总体安排及进度：1、分析设计任务，进行总体设计 3 月 28 日4 月 6 日2、设计 MATLAB GUI 系统界面 4 月 7 日4 月 15 日3、PID 参数整定 4 月 16 日4 月 30 日4、软件设计 5 月 1 日5 月 10 日5、软件调试 5 月 11 日5 月 26 日6、仿真分析 5 月 27 日6 月 10 日
