第八章-PID控制器的参数整定
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国家级精品课程
控制系统仿真与CAD
第八章 PID 控制器的参数整定
东北大学信息学院 薛定宇
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
2020/5/18
1/14
PID类控制器的参数整定
PID 类控制器是工业过程中应用最广泛的 一类控制器
本章主要内容
PID 控制系统的结构 PID 控制器的参数整定方法
pid_tuner： 总结前人算法，用界面实现
optimpid：可以解决其他算法无法求解的问题， 控制效果最好
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
2020/5/18
9/14
OptimPID程序界面
OptimPID控制器界面比现在控制器设计程
序都好，对已知对象模型的系统来说可以 直接使用，简单易用，无需命令，特点：
经典方法、其他方法
PID 控制器的设计程序 最优 PID 控制器设计界面——OptimPID
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
2020/5/18
2/14
8.1 PID 控制器的结构
PID 控制系统的结构
由误差信号 e(t) 过去、现在和将来的信息 生成控制信号，去控制受控对象
PID 控制器的典型结构（并联结构）
2020/5/18
6/14
1942, Ziegler-Nichols 整定算法
经验公式
MATLAB 函数
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
2020/5/18
7/14
例 Ziegler-Nichols法设计控制器 受控对象
FOPDT近似
特征参数 K=1, L =2.7639, T =2.2361 Ziegler-Nichols控制器设计
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
2020/5/18
3/14
其 Laplace 变换为 实际应用的 PID 为
PID 控制器的标准结构为
其 Laplace 变换为
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
2020/5/18
4/14
离散 PID 控制器
并联 PID 控制器
MATLAB 函数 pid() 和pidstd() 可用 PID 控制器的其他变形
积分分离式 PID 离散增量式 PID 控制器
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
2020/5/18
5/14
8.2 PID 控制器参数整定方法
过程受控对象的低阶近似
FOPDT 模型 由响应曲线识别、基于频域响应的近似方法、
次最优降阶方法等 MATLAB 函数
例
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
12/14
例 可以转换为内部延迟的受控对象
受控对象的MATLAB/Simulink描述mod_lti.mdl
MATLAB R2011b以后版本支持内部延迟？ 早期版本得给对象画出 Simulink 模型 mod_1.mdl
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
2020/5/18
13/14
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
2020/5/18
14/14
设计界面存在的问题
其他类型的受控对象模型没有现成的设计界面， 只能根据算法自己编程设计
Sisotool 界面能解决的问题局限性也很大
无法处理复杂结构和非线性环节
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
2020/5/18
11/14
OptimPID——最优PID控制器设计界面
针对伺服控制的经典结构 OptimPID特点
PID控制器结构、支持驱动饱和的非线性环节 全局最优化方法，得出真正的最优控制器 针对伺服控制，SISO受控对象任意复杂 可以人为选择超调量等约束 不同目标函数的选择，推荐 ITAE 指标 可视优化，观察优化的进程 程序结构易读，可以容易地扩展
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
2020/5/18
无须用户编程，程序界面直接可用 支持驱动饱和非线性环节、超调量约束等 任意复杂的非线性系统模型 线性系统模型无需编写一条程序， MATLAB新
版本下支持内部延迟的模型 可视优化、全局优化 版本只支持MATLAB R2009a 之后版本
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
2020/5/18
10/14
改进的 PID 控制器参数整定方法
各种各样的改进
Aidan O’Dwyer. Handbook of PI and PID controller tuning rules. Imperial College Press, 2003
对 FOPDT 模型，PID_Tuner界面可以直接用于PI 或PID控制器参数的直接整定
控制效果不佳，需要改进
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
2020/5/18
8/14
PID控制器设计小结
这里介绍的是书中第八章的一个部分
设计思路
找一个FOPDT的近似模型：getfopdt()
根据模型设计控制器：ziegler()
设计方法有无数，只介绍ZIegler-Nichols
介绍了两个PID控制器设计Βιβλιοθήκη Baidu面
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第八章 PID 控制器的参数整定
东北大学信息学院 薛定宇
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PID类控制器的参数整定
PID 类控制器是工业过程中应用最广泛的 一类控制器
本章主要内容
PID 控制系统的结构 PID 控制器的参数整定方法
pid_tuner： 总结前人算法，用界面实现
optimpid：可以解决其他算法无法求解的问题， 控制效果最好
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OptimPID程序界面
OptimPID控制器界面比现在控制器设计程
序都好，对已知对象模型的系统来说可以 直接使用，简单易用，无需命令，特点：
经典方法、其他方法
PID 控制器的设计程序 最优 PID 控制器设计界面——OptimPID
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8.1 PID 控制器的结构
PID 控制系统的结构
由误差信号 e(t) 过去、现在和将来的信息 生成控制信号，去控制受控对象
PID 控制器的典型结构（并联结构）
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1942, Ziegler-Nichols 整定算法
经验公式
MATLAB 函数
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例 Ziegler-Nichols法设计控制器 受控对象
FOPDT近似
特征参数 K=1, L =2.7639, T =2.2361 Ziegler-Nichols控制器设计
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其 Laplace 变换为 实际应用的 PID 为
PID 控制器的标准结构为
其 Laplace 变换为
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离散 PID 控制器
并联 PID 控制器
MATLAB 函数 pid() 和pidstd() 可用 PID 控制器的其他变形
积分分离式 PID 离散增量式 PID 控制器
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2020/5/18
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8.2 PID 控制器参数整定方法
过程受控对象的低阶近似
FOPDT 模型 由响应曲线识别、基于频域响应的近似方法、
次最优降阶方法等 MATLAB 函数
例
控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
12/14
例 可以转换为内部延迟的受控对象
受控对象的MATLAB/Simulink描述mod_lti.mdl
MATLAB R2011b以后版本支持内部延迟？ 早期版本得给对象画出 Simulink 模型 mod_1.mdl
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14/14
设计界面存在的问题
其他类型的受控对象模型没有现成的设计界面， 只能根据算法自己编程设计
Sisotool 界面能解决的问题局限性也很大
无法处理复杂结构和非线性环节
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OptimPID——最优PID控制器设计界面
针对伺服控制的经典结构 OptimPID特点
PID控制器结构、支持驱动饱和的非线性环节 全局最优化方法，得出真正的最优控制器 针对伺服控制，SISO受控对象任意复杂 可以人为选择超调量等约束 不同目标函数的选择，推荐 ITAE 指标 可视优化，观察优化的进程 程序结构易读，可以容易地扩展
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2020/5/18
无须用户编程，程序界面直接可用 支持驱动饱和非线性环节、超调量约束等 任意复杂的非线性系统模型 线性系统模型无需编写一条程序， MATLAB新
版本下支持内部延迟的模型 可视优化、全局优化 版本只支持MATLAB R2009a 之后版本
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改进的 PID 控制器参数整定方法
各种各样的改进
Aidan O’Dwyer. Handbook of PI and PID controller tuning rules. Imperial College Press, 2003
对 FOPDT 模型，PID_Tuner界面可以直接用于PI 或PID控制器参数的直接整定
控制效果不佳，需要改进
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PID控制器设计小结
这里介绍的是书中第八章的一个部分
设计思路
找一个FOPDT的近似模型：getfopdt()
根据模型设计控制器：ziegler()
设计方法有无数，只介绍ZIegler-Nichols
介绍了两个PID控制器设计Βιβλιοθήκη Baidu面