数字PID控制器设计
PID参数设定
试凑过程可先调比例带P，再加积分时间I，最后加微分时间D，调试时，首先将PID 参数置于影响最小的位置，即P最大、I最大，D最小，按纯比例系统整定比例度，使其得到比较理想的调节过程曲线，然后，比例带缩小0 7倍左右，将积分时间从大到小改变，使其得到较好的调节过程曲线。
最后，在这个积分时间下重新改变比例带，再看调节过程曲线有无改善，如有所改善，可将原整定的比例带适当减小，或再减小积分时间，这样经过多次反复调整，就可得到合适的比例带值和积分时间。
如果在外界干扰作用下，系统稳定性不够好，可以把比例带适当调大，并且适当增加积分时间，使系统有足够的稳定性，在调试过程中可以发现，如果比例带过小，积分时间过短和微分时间过长，都会产生周期性的振荡。
但可以从以下几点分析引起振荡的因素，从而解决振荡问题。
(1)积分时间引起的振荡周期较长；(2)比例带过小引起的振荡周期较短；(3)微分时间过长引起的振荡周期最短；另外也可根据加温曲线的特点，确定参数的变化。
如果温度变化曲线是非周期性的，而且能慢慢回复到设定值，则说明积分时间过长。
如果温度变化曲线不规则，且偏离设定值较大，不能回复，则说明比例带过大本篇文章来源于百科全书转载请以链接形式注明出处网址：/jixie/jc/200904/119179.html确定控制器参数数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。
PID控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。
工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。
常用的方法，采样周期选择，实验凑试法实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。
整定步骤实验凑试法的整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。
（1）整定比例控制将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
PID控制教程
PID控制原理教程第一讲 数字PID概述1.1概述在连续-时间控制系统中，PID控制器应用得非常广泛。
其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。
数字PID控制比连续PID控制更为优越，因为计算机程序的灵活性，很容易克服连续PID控制中存在的问题，经修正而得到更完善的数字PID算法。
本章将详细地讨论数字PID控制器的设计和调试问题。
1.2PID控制简介目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口﹑执行机构﹐加到被控系统上﹔控制系统的被控量﹐经过传感器﹐变送器﹐通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。
可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell的PLC-5等。
还有可以实现PID控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。
《计算机控制技术》数字PID控制器设计与仿真实验报告
《计算机控制技术》数字PID控制器设计与仿真实验报告课程名称：计算机控制技术实验实验类型：设计型实验项目名称：数字PID控制器设计与仿真一、实验目的和要求1. 学习并掌握数字PID以及积分分离PID控制算法的设计原理及应用。
2. 学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。
二、实验内容和原理图3-1图3-1是一个典型的 PID 闭环控制系统方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如图1-2所示。
图3-2中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在模拟实验平台上的运放单元搭接。
图3-2上图中，ADC1为模拟输入，DAC1为模拟输出，“DIN0”是C8051F管脚 P1.4，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。
这里，系统误差信号E通过模数转换“ADC1”端输入，控制机的定时器作为基准时钟(初始化为10ms)，定时采集“ADC1”端的信号，得到信号E的数字量，并进行PID计算，得到相应的控制量，再把控制量送到控制计算机及其接口单元，由“DAC1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。
本实验中，采用位置式PID算式。
在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，以及系统有惯性和滞后，因此在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。
为此，可采用积分分离法PID控制算法，即：当误差e(k)较大时，取消积分作用；当误差e(k)较小时才将积分作用加入。
图3-3是积分分离法PID控制实验的参考程序流程图。
图3-3三、主要仪器设备计算机、模拟电气实验箱四、操作方法与实验步骤1.按照图3-2搭建实验仿真平台。
2.确定系统的采样周期以及积分分离值。
3.参考给出的流程图编写实验程序，将积分分离值设为最大值0x7F，编译、链接。
4.点击，使系统进入调试模式，点击，使系统开始运行，用示波器分别观测输入端R以及输出端C。
5.如果系统性能不满意，用凑试法修改PID参数，再重复步骤3和4，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。
PID控制算法（PID控制原理与程序流程）
PID控制算法（PID控制原理与程序流程）⼀、PID控制原理与程序流程(⼀)过程控制的基本概念过程控制――对⽣产过程的某⼀或某些物理参数进⾏的⾃动控制。
1、模拟控制系统图5-1-1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进⾏⽐较，得到偏差，模拟调节器依⼀定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执⾏器作⽤于过程。
控制规律⽤对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。
2、微机过程控制系统图5-1-2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。
控制规律的实现，是通过软件来完成的。
改变控制规律，只要改变相应的程序即可。
3、数字控制系统DDC图5-1-3 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机⽤于过程控制的最典型的⼀种系统。
微型计算机通过过程输⼊通道对⼀个或多个物理量进⾏检测，并根据确定的控制规律(算法)进⾏计算，通过输出通道直接去控制执⾏机构，使各被控量达到预定的要求。
由于计算机的决策直接作⽤于过程，故称为直接数字控制。
DDC系统也是计算机在⼯业应⽤中最普遍的⼀种形式。
(⼆)模拟PID调节器1、模拟PID控制系统组成图5－1－4 模拟PID控制系统原理框图2、模拟PID调节器的微分⽅程和传输函数PID调节器是⼀种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的⽐例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进⾏控制。
a、PID调节器的微分⽅程式中b、PID调节器的传输函数a、⽐例环节：即时成⽐例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差⼀旦产⽣，调节器⽴即产⽣控制作⽤以减⼩偏差。
b、积分环节：主要⽤于消除静差，提⾼系统的⽆差度。
积分作⽤的强弱取决于积分时间常数TI，TI越⼤，积分作⽤越弱，反之则越强。
c、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太⼤之前，在系统中引⼊⼀个有效的早期修正信号，从⽽加快系统的动作速度，减⼩调节时间。
基于磁流变气动伺服系统的数字PID控制器的设计
场 的大 小 ， 而 改 变磁 流变 液 体 的 阻 尼 ， 现 系 统 的柔 性 定 从 实 位 ， 时获 得 较 高 的 定 位 精 度 和 良好 的速 度 平 稳 性 。对 于 同 磁 流 变 流 体 传 动 系统 的控 制 国 内 也 处 于 研 究 阶段 ， 目前 国 内还 没 有 实 际 产 品 的相 关 报 道 。 考 虑 到 在 磁 流 变气 动伺 服 控 制 系 统 控 制 过 程 中 ， 定 给
ｕ ｋ～ １ （ ）＝
Ｋ
＋ｌ ＋ 毒 ‘０ ｉ
－ ］１ 一） （
其 中 ：（ ） ｕｋ １的 一 偏 差 信 号 Ａ （ ） ｕｋ 一 （一 ） ｕｋ 。
Ａｕ ｋ ： ｕ ｋ 一 ｕ（ （） （） ｋ一 １ ＝ ）
信 号 有 两 个 ： 移 和运 行 速 度 。 其 中 对 位 移 控 制 是 主要 控 位
为广 泛 的 调节 器 ， 虑 到本 系 统 的 驱 动 对 象 为 阻 感 性 的 阻 考
尼 器 ， 一 定 的 滞后 性 ， 有 因此 本 控 制 系 统 须 对 传 统 的 控 制 器 算 法 进行 改进 ， 达 到预 期 的控 制 目的 。 以
图 １ 增 量 式 控 制 系统 示 意 图
基 于磁 流 变 气动 伺 服 系统 的数 字 Ｐ Ｄ 控 制 器 的 设 计 Ｉ
杨 华
＼ 湖南大学 ２
王 焱 玉 谢 仁 恩。
机 械 工 程 系， 西 广 桂林 ５１０ 、 ４０４
， ４０ ８ １０ ２
／ 桂 林航 天 工业 高等 专 科 学校 １
教 育技 术 研 究 所 ， 南 容 许 的 ， 某 种 场 合 还 可 能 造 成 在
基 于 磁 流变 技 术 的 气 动 位 置伺 服 系 统 融 合 了气 动 技 术 重 大 的 生 产 事故 ， 此 系 统 采 用 增量 式 控 制 算 法 ， 算 法 的 为 该
pid校正设计课程设计
pid校正设计课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解PID校正的基本概念，掌握其工作原理和数学模型。
2. 学生能描述PID校正参数对系统性能的影响，如稳定性、快速性和准确性。
3. 学生能运用PID校正方法对给定的控制对象进行数学建模和参数设计。
技能目标：1. 学生能够运用模拟和数字方法实现基本的PID控制器设计。
2. 学生能够使用仿真软件对PID控制系统进行模拟和性能分析。
3. 学生能够通过实验和调试，优化PID参数，达到预定的控制效果。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对自动化控制技术的兴趣，认识到其在工程领域的重要性。
2. 学生通过小组合作完成任务，培养团队协作和问题解决的积极态度。
3. 学生通过实际操作和问题分析，增强对理论与实践相结合的认识，形成科学严谨的学习态度。
分析：本课程针对高年级工程技术类专业学生设计，课程性质为专业核心课，旨在通过PID校正的理论与实践，提升学生对自动控制系统的理解和应用能力。
学生具备一定的电路基础和控制理论，具有较强的逻辑思维和动手能力。
教学要求强调理论与实践相结合，注重培养学生的实际操作能力和创新思维。
课程目标设定考虑了学生的前序知识水平和后续发展需求，将目标具体化为可观察、可衡量的学习成果，以便于通过课程学习，学生能够达到预设的知识、技能和情感态度价值观的预期成果。
二、教学内容1. PID校正的基本原理- 控制系统的数学模型- PID控制器的定义与分类- PID控制器的数学表达式2. PID参数对系统性能的影响- 参数Kp、Ki、Kd对系统响应的影响- 系统稳定性分析- 系统快速性与准确性的权衡3. PID控制器的设计方法- Ziegler-Nichols方法- 尺度变换法- 模拟与数字PID控制器的设计4. PID控制系统的仿真与分析- 使用MATLAB/Simulink进行仿真- 系统性能指标的评估- 参数优化与调试5. 实践环节- 搭建简易控制系统- 实际操作PID控制器- 实验数据分析与总结教学内容根据课程目标进行选择和组织，注重科学性和系统性。
基于PID的液位控制系统的设计与实现
基于PID的液位控制系统的设计与实现液位控制系统是工业生产过程中常用的控制技术之一、PID（比例-积分-微分）控制器是一种经典的控制算法，可以有效地实现液位控制。
本文将设计和实现基于PID的液位控制系统。
液位控制系统一般由传感器、执行器和控制器组成。
传感器用于测量液位高度，执行器用于调节液位，而控制器则根据测量值和设定值之间的差异来控制执行器的运动。
在这个过程中，PID控制器起到关键的作用。
首先，我们需要设计传感器来测量液位高度。
常见的液位传感器有浮子式、压力式和电容式传感器。
根据实际应用需求，选择适合的传感器。
传感器的输出值将作为反馈信号输入到PID控制器中。
其次，我们需要选择合适的执行器来调节液位。
根据液位的控制需求，可以选择阀门、泵等执行器。
这些执行器的动作是由PID控制器输出的控制信号来控制的。
接下来，我们将重点介绍PID控制器的设计和实现。
PID控制器由比例、积分和微分三个部分组成。
比例部分输出和误差成正比，积分部分输出和误差的累积和成正比，微分部分输出和误差的变化率成正比。
PID控制器的公式为：输出=Kp*错误+Ki*积分误差+Kd*微分误差其中，Kp、Ki、Kd是PID控制器的三个参数。
这些参数的选择对于系统的稳定性和响应速度有重要影响。
参数的选择需要通过实验和调试来确定。
在PID控制器的实现中，有两种常用的方式：模拟PID和数字PID。
模拟PID控制器基于模拟电路实现，适用于一些低要求的应用场景。
数字PID控制器基于微处理器或单片机实现，适用于更复杂的控制场景。
在具体的实现中，我们需要先进行系统建模和参数调整。
系统建模是将液位控制系统转化为数学模型，以便进行分析和设计。
常见的建模方法有传递函数法和状态空间法。
参数调整是通过实验和仿真等手段来确定PID控制器的参数。
接下来，根据建模和参数调整的结果，我们可以进行PID控制器的实际设计和实现。
在设计过程中，需要注意选择合适的控制算法和调试方法，以保证系统的稳定性和性能。
基于FPGA的数字PID控制器设计
实 现 数 字 Ｐ Ｄ控 制 器 的设 计 ，提 高 系 统 的 运 算 速 Ｉ 度 、 少系统 的体 积 、 强其 可靠 性 。 减 增
２ 各 功 能模 块 的 设计 １ Ｐ Ｄ 控 制 算 法 Ｉ
在此将 详 细描述 各模块 的具 体实 现过程 。使 用
完整 的 Ｐ Ｄ控 制表 达式 为 ： Ｉ
式（） ２ 为增量 型 Ｐ Ｄ控 制算 法 。从式 （ ） Ｉ ２ 可看 出增 量
分 、积分参数 的控制策 略来 达到 最佳 系统 响应 和控
制效 果 。但 是采 用 微处 理 器来 实 现 时 ． 能完 全 避 不
型 控制算 法 只与前 三次 采样值 有关 ，不需 要大量 的
数据 存储 和 累加 ． 因而不 易引起 误差 累积 ， 计算量 小
馈 值 ｙ 求偏 差 ， ） 然后 把 所 得 的 偏差 值 传 给 后续 模 块进 行处 理 ， 图 ２所示 。复位 信号 ｒｓｔ 如 ｅｅ 为低 电平 时 复位 ， 则 ， 否 在输 入 时钟 的上 升沿 到 达 时 ， 在使 能
收 稿 日期 ：ｏ ９ ０ 一 ３ ２ ｏ — ９ ｌ
作 者简 介 ： 昭 明 （９ ５ ， ， 陈 １８ 一）男 四川 人 ， 国航 天 科技 集 团第 四研 究 院 ４ １ 硕 士研 究 生 ， 究 方 向为 测 试 计 量技 术及 仪 器 。 中 ０所 研
且实 时性 好 。其结构 原理 如 图 １ 所示 。
免程序 跑 飞和计算 机误 动作 对整 个控制 系统 的破 坏
性 影 响 。现场 可编 程 门阵列 Ｆ Ｇ 的出现 为 Ｐ Ｄ控 ＰＡ Ｉ 制 器 的设 计提 供 了新 的实现手 段 。 Ｐ Ａ集成度 高 、 ＦＧ 体 积小 、 功耗低 、 靠性 高 、 可 设计 方 法灵 活 ， 仅具有 不 反 复编 程 、 复探 险 、 复使 用 等特 点 ， 能 得 到实 反 反 更
2数字控制器的设计数字控制器的PID设计方法1
即实部
图5-23 3种离散化方法s的左半平面映射到z平面的图
令z=R+jI 则
即R 2-1+I 2<0 或 R 2+I 2<1
5.2.1 PID设计方法 不同点： 前向差分法的特点：
将S左半平面变换到Z平面的σ=1左边平面；
稳定的D(s)可能变换成不稳定的D(z)。 后向差分法的特点：
将整个S左半平面变换到Z平面（1/2,0）半径1/2的圆内；
稳定的D(s)变换成稳定的D(z)，不稳定D(s)可变换成稳定D(z). 双线性变换的特点：
将整个S左半平面变换到Z平面的单位圆内； 稳定的D(s)变换成稳定的D(z)，不稳定D(s)变换成不稳定D(z). 共同点：
(1)D(z)不能保持D(s)的频率响应。 (2) 不用查表，使用方便。
5.2.1 PID设计方法
双线性变换法的几何意义是梯形法求积分，如图5-22所示。 – 设积分控制规律为 – 经过变换，数字控制器为
图5-21 双线性变换的几何意义
jA
2 T
1 e jDT 1 e jDT
2 e e jDT / 2
jDT / 2
T
e jDT / 2
e jDT / 2
2 T
2 j sin(DT / 2) 2cos(DT / 2)
用时域表示为：
u(k) a1u(k 1) a2u(k 2) ... anu(k n) b0e(k) b1e(k 1) ... bme(k m)
j 2 tan DT
T2
s域角频率A
(s域)
A
2 T
tan
DT
2
z域角频率为D
采样频率足够小
A
2 T
PID温度控制器的设计
1
(1)在对温度控制发展现状、系统控制要求进行研究的基础上，选择了整个控制系统的控制方案；
(2)完成系统的硬件设计，包括采样电路、A／D转换电路、主控制电路、保护电路等等的设计；
(3)完成该系统的软件设计，包括主程序模块、控制运算模块、数据输入输出及处理模块等一些子功能模块的设计；
1．
采用PID控制原理研制成适合用于小功率器件的温度控制器，该控制器能达到很好的控制效果，若精心选择PID的各种参数，温度控制的精度可以达到0.05℃，完全可以保证器件的正常工作。在一定的控制系统中，首先将需要控制的被测参数（温度）由传感器转换成一定的信号后再与预先设定的值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值，将控制量送给控制系统进行相应的控制，不停地进行上述工作，从而达到自动调节的目的。PID是目前广泛使用的控制方法，其控制规律的数学模型为:
实现PID控制原理的具体方法因系统的不同而不同。在我们的系统中，采用了增量式计算方法，而控制量的输出则采用了位置式的输出形式。在数值控制系统中，其控制规律的数学模型演化为：
其中：T为采集周期；ei、ei-1、ei-2为此时刻、前一时刻、再前一时刻的差值信号。这种方法的好处在于只需保持前三时刻的差值信号，同时输出控制量的初始设定值不必准确，就能较快地进入稳定控制过程。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID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。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。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。
数字PID控制器设计制作
数字PID控制器设计设计任务：设单位反馈系统的开环传递函数为：设计数字PID控制器，使系统的稳态误差不大于0.1，超调量不大于20%，调节时间不大于0.5s。
采用增量算法实现该PID控制器。
具体要求：1.采用Matlab完成控制系统的建立、分析和模拟仿真，给出仿真结果。
2.设计报告内容包含数字PID控制器的设计步骤、Matlab仿真的性能曲线、采样周期T的选择、数字控制器脉冲传递函数和差分方程形式。
3.设计工作小结和心得体会。
4.列出所查阅的参考资料。
数字PID控制器设计报告一、设计目的1 了解数字PID控制算法的实现；2 掌握PID控制器参数对控制系统性能的影响；3 能够运用MATLAB/Simulink 软件对控制系统进行正确建模并对模块进行正确的参数设置；4 加深对理论知识的理解和掌握；5 掌握计算机控制系统分析与设计方法。
二、设计要求1采用增量算法实现该PID控制器。
2熟练掌握PID设计方法及MATLAB设计仿真。
三、设计任务设单位反馈系统的开环传递函数为：设计数字PID控制器，使系统的稳态误差不大于0.1，超调量不大于20%，调节时间不大于0.5s。
采用增量算法实现该PID控制器。
四、设计原理1.数字PID原理结构框图2. 增量式PID 控制算法()()()()()01P I D i u k K e k K e i K e k e k ∞==++--⎡⎤⎣⎦∑=u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =u(k-1)+(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2) 所以Δu(k)=u(k)-u(k-1)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2) 整理：Δu(k)= Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)A= Kp+Ki+Kd B=-(Kp+2Kd ) C=Kd五、Matlab 仿真选择数字PID 参数（扩充临界比例度法/扩充响应曲线法 具体整定步骤）利用扩充临界比例带法选择数字PID 参数，扩充临界比例带法是以模拟PID 调节器中使用的临界比例带法为基础的一种数字PID 参数的整定方法。
基于matlab的智能PID控制器设计和仿真毕业设计论文
基于MATLAB的智能PID控制器设计与仿真摘要在工业生产中应用非常广泛的是PID控制器，是最早在经典控制理论基础上发展起来的控制方法，应用也十分广泛。
传统的PID控制器原理十分简单，即按比例、积分、微分分别控制的控制器，但是他的核心也是他的难点就是三个参数（比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd）的整定。
参数整定的合适，那么该控制器将凭借结构简单、鲁棒性好的优点出色的完成控制任务，反之则达不到人们所期望的控制效果。
人工神经网络模拟人脑的结构和功能而形成的信息处理系统，是一门十分前沿高度综合的交叉学科，并广泛应用于工程领域。
神经网络控制是把自动控制理论同他模仿人脑工作机制的数学模型结合起来，并拥有自学习能力，能够从输入—输出数据中总结规律，智能的处理数据。
该技术目前被广泛应用于处理时变、非线性复杂的系统，并卓有成效。
关键词自适应PID控制算法，PID控制器，神经网络Design and simulation of Intelligent PID Controllerbased on MATLABAbstractPID controller ,the control method which is developed on the basis of classical control theory, is widely used in industrial production.The Principle of traditional PID controller is very simple, which contains of the proportion, integral, differential three component, but its core task and difficulties is three parameter tuning(proportional coefficient Kp, integral coefficient Ki and differential coefficient KD).If the parameter setting is suitable, the controller can accomplish the control task with the advantages of simple structure and good robustness;but on the contrary, it can not reach the desired control effect which we what.Artificial neural network , the formation of the information processing system which simulate the structure and function of the human brain , is a very high degree of integration of the intersection of disciplines, and widely used in the field of engineering. Neural network control ,combining automatic control theory and the imitate mathematical model of the working mechanism of human brain , has self-learning ability, and can summarize the law of the input-output data , dealing with data intelligently .This technique has been widely used in the process of time-varying, nonlinear and complex system, and it is very effective.Key W ord:Adaptive PID control algorithm，PID controller，Neural network目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1 课题研究背景及意义 (1)第二章 PID控制器 (2)2.1 PID控制原理 (2)2.2常规PID控制器的算法理论 (3)2.2.1 模拟PI D控制器 (3)2.2.2 数字P I D控制算法 (3)2.2.3常规PID控制的局限 (5)2.2.4 改进型PID控制器 (5)第三章人工神经网络 (8)3.1 人工神经网络的原理 (8)3.2神经网络PID控制器 (8)3.2.1神经元PID控制器 (8)3.2.2 单神经元自适PID应控制器 (9)3.3 BP神经网络参数自学习的PID控制器 (12)第四章MATAB仿真 (16)4.1 仿真过程 (16)第五章结论与展望 (24)致谢 (25)参考文献 (25)华东交通大学毕业设计（论文）第一章绪论1.1 课题研究背景及意义在工业生产中应用非常广泛的是PID控制器，是最早在经典控制理论基础上发展起来的控制方法，应用也十分广泛。
PID控制系统---P I D参数的作用 控制系统专用
Kd Ts
[ e ( k ) 2 e ( k 1) e ( k 2 )]
增量型与位置型的比较
（1）增量型算法不需要累加，控制 量增量的确定仅与最近几次误差采样 值有关，计算误差或计算精度问题， 对控制量的计算影响较小。而位置型 算法要用到过去的误差的累加值，容 易产生大的累加误差。 （2）增量型算法得出的是控制量的 增量，误动作影响小，不会影响严重 系统的工作。而位置型算法的输出是 控制量的全量输出，误动作影响大。
void pid_init() { r=INPUT; y_cur=0; y_pre=0; u_pre=0; e_pre=0; e_last=0; } float pid_process() { float q0, q1, q2; e_cur=r-y_cur; //e(k)=r-y(k) q0=(float)( KP*(1+T/TI+TD/T)); q1=-KP-2*KP*TD/T; q2=KP*TD/T; u_aug=q0*e_cur+q1*e_pre+q2*e_last; //△u(k)=q0*e(k)+q1*e(k-1)+q2*e(k-2) u_cur=u_aug+u_pre; //u(k)=△u(k)+u(k-1)
PID参数整定
试凑法（先比例，后积分，再微 分） 扩充临界比例度法 扩充响应曲线法
增量式流程图
用计算机实现PID控制
#include<reg51.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define KP 100 #define TI 2 #define TD 1 #define T 1 sbit start=P3^0; sbit OE=P3^1; sbit EOC=P3^2; float y_cur; //y(k) float y_pre; //y(k-1) float e_cur; //e(k) float e_pre; //e(k-1) float e_last; //e(k-2) float u_cur; //u(k) float u_pre; //u(k-1) float u_aug; //△u(k) uchar AD; uint INPUT=3; uint r;
数字PID控制器的设计
T
(1 j
T
)2
所以
T 2 T arctan arctan 2 arctan T 2 2 2 1( ) 1( ) 2 2
由此得出
T T
2(
T
)
与 T 的对应关系：
: 0 ~ : 0 ~
T : 0 ~ T : 0 ~
7.2 数字控制器的PID设计方法
• 7.2.1 PID设计方法
计算机控制系统的核心 数字控制器
实现各种不同要求的控制功能。
如何设计数字控制器？ （1）给定控制对象 （2）给定性能指标
设计出满足控制性能的控制规律以 及与此对应的计算机编程算法。
数字控制器的两类设计方法
输入r(r) 计算机 D/A 被控对象 输出c(t)
设微分的控制规律为： u (t )
S域的传递函数为：
对微分控制规律前向差分变换，可得： u ( k ) e( k 1) e( k )
de (t ) dt U ( s) D( s ) s E ( s)
T
e(k 1) z e(k )
e(k 1) e(k ) z 1 u (k ) e( k ) T T
ek2其中其中如果控制系统的执行机构采用步进电机如果控制系统的执行机构采用步进电机在每个采样周在每个采样周期期控制器输出的控制量是相对于上次控制量的增加控制器输出的控制量是相对于上次控制量的增加此时控制器应采用增量型数字此时控制器应采用增量型数字pidpid控制算法控制算法其控制原理其控制原理如下图所示如下图所示
2 2
数字控制器为：
U ( z ) T 1 z 1 1 D( z ) D( s) 2 1 z 1 1 1 s 2 1 z E( z) 2 1 z T 1 z 1 T 1 z 1
实验三 PID控制器设计及其参数整定---已完成
实验三 PID 控制器设计及其参数整定一、实验目的1) 通过本实验，掌握使用Simulink 仿真设计连续和离散PID 控制器的方法。
2) 掌握对给定控制系统进行PID 控制器参数在线实验工程整定的方法。
二、实验原理PID 控制是最经典、应用最广泛的控制方法，是单回路控制系统主要的控制方法，是其他控制思想的基础。
本实验针对被控对象，选定控制器的调节规律，在控制器的调节规律已经确定的情况下，控制系统的品质主要决定于控制器参数的整定。
1. 连续PID 控制器本实验采用的PID 控制器传递函数为：111()(1)(1)C p d d i i G s K T S T S T S T Sδ=++=++ 或写成：()iC p d K G s K K S S=++ 有,p i d p d iK K K K T T ==其中K p 、K i 、K d 分别为比例系数、积分系数和微分系数；T i 、T d 分别为积分时间常数和微分时间常数；δ为比例度。
控制系统的Simulink 仿真图如图1所示。
连续PID 控制器如图2所示。
根据不同的参数设置，可以得到单纯的比例控制、比例积分控制、比例微分控制以及比例积分微分控制等不同的控制系统。
控制器参数的工程整定实验法，是通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，按照动态特性参数法、衰减曲线法、临界比例度法、或经验法中的某一种方法，求得控制器的各个参数，进行工程整定，使系统的性能达到最佳。
图1 控制系统Simulink 仿真图图2 连续PID 控制器Simulink 仿真图2. 离散PID 控制器将描述模拟PID 控制器的微分方程式化为差分方程，即为数字PID 控制算法。
1()(1)()()()kp i di e k e k u k K e k K T e i K T=--=++∑因为上式包含的数字积分项，需要存储过去全部偏差量，而且累加运算编程不太方便，计算量也较大，所以在应用中，通常都是将上式改为增量算法。
计算机控制系统零极点配置与PID控制器设计比较
计算机控制系统零极点配置与PID 控制器设计比较收稿日期：2018-01-16基金资助：山东省高等学校科技发展计划项目J14LN26作者简介：张栋（1979-），男，博士，副教授，主要从事系统建模与控制技术研究。
一、引言计算机控制系统零极点配置设计控制器与数字PID 控制器属于基于连续域理论的数字控制器设计方法[1][2]。
不同于数字控制器离散域的直接设计方法，因其易于理解，依然被广大科技工作者经常采用，尤其是数字PID 控制器设计方法。
本文利用Matlab 与SIMULINK 仿真[3]设计了一个实例，对同一个线性系统被控对象进行零极点配置控制器设计和PID 控制器设计，给出详细的控制器设计步骤，并对两种设计方法和系统性能进行比较。
二、仿真实例设计设某位单位负反馈位置随动控制系统中连续被控对象电机的近似传递函数为G 0（s ）=10s （s+4）（1）要求采用连续系统理论的方法设计数字控制器，使得闭环系统满足稳态误差e ss （∞）=0，阶跃响应超调量σ%＜10%，调节时间t s ＜1.2s （±2%误差带），采样周期T=0.1s 。
（一）零极点配置方法设计数字控制器采用计算机控制时，一般需考虑A/D 与D/A 转换器对系统性能的影响，可将A/D 与D/A 近似为一个滞后环节e-sT/2，以反映零阶保持器的相位滞后特性，实际设计时，可将e-sT/2取为一阶系统的近似，即e -sT/2≈11+Ts/2=10.05s+1（2）若设待设计的数字控制器等效连续传递函数为D dc （s ），该计算机控制系统的连续域设计等效方框图如图1所示，图中，G （s ）=10.05s+1·10s （s+4）（3）为广义连续被控对象。
采用Matlab 中SISOTOOL 工具箱对广义被控对象进行零极点配置以满足期望闭环系统的性能指标。
首先在Matlab 命令窗口中输入如下代码num=[10]；den=[conv （[1，0]，[1，4]）]；G0=tf （num ，den ）；%被控对象传递函数num1=[1]；den1=[0.05，1]；G1=tf （num1，den1）；%A/D 、D/A 等效传递函数G=series （G1，G0）；%广义被控对象传递函数sisotool %调用sisotool 工具箱将广义被控对象导入SISOTOOL 工具箱后，根据期望的性能指标设定满足条件的根轨迹范围如图2所示：张栋，刁少文，周毛等，周涛（青岛理工大学自动化工程学院，山东青岛266520）摘要：为解决计算机控制系统授课过程中，线性系统的零极点配置设计控制器与数字PID 控制器之间的联系与区别，设计了一个Matlab/SIMULINK 仿真教学实例，便于深入理解与比较计算机控制系统基于连续域的控制器设计方法。
数字PID控制器
PI 增量式一般表达式为 u ( k ) k p [ e ( k ) e ( k 1 )] 将本问题 k pT TI e(k )
PI 差分方程写成一般表达
u ( k ) 3[ e ( k ) e ( k 1 )] 20 e ( k ) kP 3 k pT TI 20 , T I 3 20
所以前馈完全补偿的条
G（ s ） D（ s ） G （ s ） 0 n n U（ s ） G（ s ） n n 即 D（ s ） n n（ s） G （ s）
例、已知广义被控对象
G (s) k2 1 T2 s e
2 s
, 干扰通道
G（ s ） n
k1 1 T1 s
还可写成递推型PID控制算式
2. S域下PID表达式的离散化
将模拟控制器的传递函数
G c ( s ) K P (1 1 TI s TD s)
用后向差分方法等效离散化(s=(1-z-1)/T)，可得PID控 制规律的脉冲传递函数形式
D (z) Gc (s )
s 1 z T
1
K P [1
15 T 15 Z
100 . 8 138 . 3 Z
82 . 2 Z
1
1 0 .5 Z
前馈控制器输出
u 2 ( k ) 0 . 5 u 2 ( k 1) 100 . 8 p ( k ) 138 . 3 p ( k 1) 82 . 2 p ( k 2 )
1、微分先行PID控制器
标准PID在阶跃偏差输入时各控制时 刻PID响应。
e(t) 突加给定值扰动， 会给控制系统带来 冲击，使超调量过 大，执行机构动作 剧烈。
PID控制器的参数整定及优化设计
PID控制器的参数整定及优化设计摘要PID控制器由于算法很简单、鲁棒性高，可靠性能好，被人们广泛应用于工业控制的各个过程中，在我们实际的生产过程中往往有线性、以及我们通常说的时变不确定性，很难建立精确的数学模型，常规DE PID控制器通常不能达到理想的控制效果。
针对这些问题，长期以来人们一直在寻求PID控制器参数的自整定的技术，以适应复杂和高指标的控制要求。
由于PID控制器存在着各种各样的优点但是又有着许多令人头疼的缺点，例如存在着参数的鲁棒性整定较为困难的问题，许多专家开始寻求一些优化算法来警醒PID参数的寻优，例如，自适应智能控制技术方法、神经网络方法以及遗传算法等。
传统的遗传算法在理论上已形成了一套较为完善的算法体系并在许多问题中都有了成功的应用，本文采用遗传算法进行PID参数的整定和优化，这是一种寻求全局最优的优化方法，无需目标函数微分。
关键词：遗传算法；参数；优化The PID controller parameter setting and optimization ABSTRACTPID controller because algorithm is simple, high robustness, good and reliable performance, is widely used in industrial control of each process, in our actual production process is often linear, and time-varying uncertainty, we usually say that it is difficult to establish accurate mathematical model of conventional DE PID controller oftencan't achieve ideal control effect. To solve these problems, it has longbeen seeking self-tuning technology of PID controller parameters, to adapt to the complex and high index of control requirements.Because PID controller there are all sorts of advantages but also has many troublesome shortcomings, such as robustness of parameters for there is a relatively difficult problem, many experts began to seek some optimization algorithm to realize the optimization of PID parameters,for example, the adaptive intelligent control method, neural network and genetic algorithm. Traditional genetic algorithm, in theory, has formed a set of relatively perfect algorithm system and have successful applications in many problems, this paper USES the genetic algorithm of PID parameter setting and optimization, this is a kind of to seek the global optimal optimization method, the objective function without differential.Key words: genetic algorithm; Parameters; optimization目录１引言 12 PID控制概述 32.1 PID控制原理 32.1.１模拟PID控制器 32.1.2 数字PID控制器 42.2 PID参数整定方法概述 53 基于遗传算法的PID控制器的优化 63.1 遗传算法摘要 63.1.1 遗传算法的产生与发展 63.1.2 遗传算法的应用情况 73.2 遗传算法基本原理 83.2.1 遗传算法的基本思想 83.2.2 遗传算法的基本操作 83.2.3 本文采取的遗传算法 93.3 基于遗传算法的PID控制器参数优化 103.3.1 单回路控制器参数优化 113.3.2 各种仿真优化方法比较即仿真实验 143.4 本章小结 154 总结 17参考文献 18致谢 191 引言随着控制系统的复杂化程度增加，对控制系统的要求越来越高,早期工业控制中被控对象大多数据有以下特点：（1）系统存在大时滞，包括测量之后、过程延迟和传输时滞，当时滞较大的时候系统特别容易不稳定。
模拟—数字混合实验装置中的数字PID控制器设计
ｙｎ １ Ｋ ［（ 一 ） （ 一 ） ｐ ｎ １ ｅ
÷ （）
（ 一 ） 一 ） ］ ｎ 一（一 ３ １ ｎ ２
一
（） ３
用 （ ） 减 （ ） 并整 理得 ： ２式 ３式
，） （ １ （ ≠ ≥ｅ） （ 等）ｎ１ （ ２ （＝ｎ ） １ ＋）ｎ １ ｅ一 ＋ ｎ ） ｎ ｙ一 ＋ ＋ （一 ＋ （ ） 一
２ ．硬 件 的 环 境
模 拟 实 验 装 置 为 自动 控 制 理 论 实 验 箱 ， 由运 算 放 大 器 、 阻 容 、 压 管 和 二 极 管 等 电 电 稳 组成 ， 来 形成 比例 、 分 、 例 积 分 、 用 积 比 比例 微 分 、 性 和 非 线 性 等 典 型 环 节 ， 惯 把 它 们 任 意 组 合 就 可 构 成 各 种 典 型 的 模 拟 控 制 系 统 。通 过 Ａ Ｄ 和 Ｄ Ａ 转 换 ／ ／ 板 再 与 计 算 机 连 接 ， 可 形 成 闭 环 控 即 制 。计 算 机 既 能 充 当控 制 器 ， 能 作 为 又
计 算 机 作 为 ＰＤ 控 制 器 串 联 在 被 控 系 统 的 反 Ｉ
图 １ 把 计算 机作 为 ＰＤ控 制 器 Ｉ 申在 被控 系统 时 的框 图
馈 回 路 中 ， 图 ｌ 见 。 其 软 件 编 程 是 基 于 Ｖｓａ ＋ ６ ０环 境 下 ， 用 多 媒 体 定 时 器 进 行 数 据 采 样 ， ｉ ｌ ｕ Ｃ＋ ． 利 由控 制 理 论 算 法 ＰＤ参 数 ， 达 到 控 制 系 统 动 态 性 能 的 目的 它 是 一 种 软 件 、 件 相 结 合 的 数 字 Ｉ 硬 ＰＤ控 制 器 设 计 程序 ， 程 序 已经 作 为 自动 控 制 理 论 教 学 实 验 的 内 容 ， 向学 生 开 放 。 Ｉ 该 面
PID数字控制器的结构算法及参数设定
PID数字控制器的结构算法及参数设定
一、PID数字控制器的基本结构及算法
1.PID数字控制器的基本结构
PID控制PID控制兼有比例、积分和微分三种基本控制规律的优点，可使系统的稳态和动态性能以及系统的稳定性都得到改善，因而应用最为广泛。
其控制规律如下：
2.PID数字控制器的程序算法
3.PID控制规律的脉冲传递函数形式
二、PID数字控制器的参数设定
常用参数确定方法：
1.用逐步逼近法确定PID参数
1）首先只整定比例部分。
2）如果在比例控制的情况下静差达不到设计要求，则需加进积分环节。
3）若使用PI调节器控制消除了静差，而动态性能反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成PID控制。
2.简易工程法确定PID参数
1）扩充临界比例度法
2)扩充响应曲线法
三、采样周期的选择
1.系统给定值变化频率较高时，采样频率也应取得较高，以使给定值的变化得到迅速响应。
2.如果被控对象是缓慢变化的热工或化工过程时，采样周期可以取得大些，当被控对象是快速系统时，采样周期可以取得较小。
3.当执行机构惯性较大时，采样周期可取得大些。
4.系统中控制回路数较多时，考虑到控制程序的执行时间，应取较大的采样周期。
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数字PID控制器设计
实验报告
学院电子信息学院
专业电气工程及其自动化学号
姓名
指导教师杨奕飞
数字PID控制器设计报告
一．设计目的
采用增量算法实现该PID控制器。
二．设计要求
掌握PID设计方法及MATLAB设计仿真。
三．设计任务
设单位反馈系统的开环传递函数为：
设计数字PID控制器，使系统的稳态误差不大于，超调量不大于20%，调节时间不大于。
采用增量算法实现该PID控制器。
四．设计原理
数字PID原理结构图
PID控制器的数学描述为：
式中，Kp为比例系数；T1为积分时间常数；T D为微分时间常数。
设u(k)为第K次采样时刻控制器的输出值，可得离散的PID表达式为:?
使用模拟控制器离散化的方法,将理想模拟PID控制器D(s)转化为响应的理想数字PID控制器D(z).采用后向差分法,得到数字控制器的脉冲传递函数。
2.增量式PID控制算法
u(k)=u(k-1)+Δu(k)
增量式PID控制系统框图
五．Matlab仿真选择数字PID参数
利用扩充临界比例带法选择数字PID参数，扩充临界比例带法是以模拟PID调节器中使用的临界比例带法为基础的一种数字PID参数
的整定方法。
其整定步骤如下
1)选择合适的采样周期T：，因为Tmin<1/10 T,选择采样周期为；
2)在纯比例的作用下,给定输入阶跃变化时,逐渐加大比例作用
Kp(即减小比例带δ),直至系统出现等幅震荡,记录比例增益
Kr,及振荡周期Tr 。
Kr成为临界振荡比例增益(对应的临界比
例带δ),Tr成为临界振荡周期。
在Matlab中输入如下程序?
G=tf(1,[1/150,36/150,185/150,1]);
p=[35:2:45];
for i=1:length(p)
Gc=feedback(p(i)*G,1);
step(Gc),hold on
end;
axis([0,3,0,])
得到如下所示图形：
改变其中的参数P=[35:2:45]为p=[40:1:45]得到下图曲线，得Kr约为43，Tr
约为.
在smulink中建立如下模型，可得Kr=,Tr=。
3.选择控制度?
控制度的定义为数字调节器和模拟调节所对应的国度过程的误差平方积分之
比,即控制度=
202
D e dt
e dt
∞
∞⎰⎰
式中,?D e 为数字调节器的控制误差;e 为模拟调节器的控
制误差.当控制度为时,数字调节器鱼模拟调节器的控制效果相当;当控制 度为2时,数字调节器比模拟调节器的控制效果差一倍;在此选控制度为。
4.按选择的控制度指标及Tr,Kr 实验测得值
由查表选择相应的计算公式计算采样周期：T=*Tr=，Kp=*Kr=，TI=*Tr=，TD=*Tr=; P I i I K T K K T T ==
=，d P D D K K T
K T T
=== 扩充临界比例度法整定计算公式表
控制度
控制规律
T/Tr Kp/Kr Ti/Tr Td/Tr
PI PID
PI PID
PI
PID
PI
PID 模拟控制器PI
PID
简化扩充临界比例法法PI PID
六.Matlab/Simulink 控制系统建模
1.控制器
2.采用后向差分离散化可得：
D(Z)=U(Z)/E(Z)=KP(1-Zˉ1)+KI+KD(1-Zˉ1)^2=[(KP+KI+KD)Z^2-(KP+2KD)Z+ KD]/Z^2
将KP=*Kr=25,KI=Ki*T=,KD=230代入
D(z)=^2-567z+270)/z^2
3.仿真模型图
4.输出阶跃响应曲线
5．试凑法微调参数
Kp Ki Kd 超调量调整时间
27 230 ————————————
40 5 230 25
50 5 230 15
50 230 19
6.最终PID参数及输出响应曲线
采用试凑法得到一组数据：kp=50,ki=,kd=250
输出响应曲线为:
七．心得体会
通过这次课程设计，认识了自动控制领域最常用的PID控制技术，基本掌握了PID控制的基本规律，同时也认识到自动控制系统的复杂性。
在运用MATLAB软件时经常会碰到一些问题，而我们手中的资料有限，时间和精力有限，并不能解决所有问题。
比如在PID控制时，一旦选定了Ki和Kd后，超调量随Kp的变化并不明显，这是我无法理解的，当Kp增加时，系统仅仅提高了响应的快速性，而超调量并没有显着的变化。
又如，在PD控制时，当Kd和Kp取值足够大时，便可以使响应曲线完全理想化，即响应时间趋于0，超调量
趋于0，在本系统中也满足足够的稳态精度，我就会这样怀疑，并不是所有系统采用PID控制效果一定比其他控制效果要好。
所以这些问题有待于在今后的学习和实验中寻求答案。
八．参考文献
1计算机控制技术（第二版）姜学军刘新国李晓静编着。