基于组态软件和Matlab的PID控制器设计及参数自整定方法研究

控制系统

文章编号：１００８－０５７０（２００６）０７－１－００５４－０３

中文核心期刊《微计算机信息》（测控自动化）２００６年第２２卷第７－１期

基于组态软件和Matlab的PID控制器设计及参数自整定方法研究

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｏｆｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄＭａｔｌａｂ

（１．中国科学院工程热物理研究所；２．山东科技大学；３．煤炭科学研究总院）

郭巍

１，２

曲延涛

１

赵英

３

Ｇｕｏ，ＷｅｉＱｕ，ＹａｎｔａｏＺｈａｏ，Ｙｉｎｇ

摘要：工业控制现场使用的组态软件中，ＰＩＤ控制是比较实用、可靠的。本文介绍在组态软件中ＰＩＤ控制器的算法实现，并基于Ｍａｔｌａｂ完成ＰＩＤ自整定算法，使参数的整定变得简单、易行，使组态软件更灵活、通用。并通过系统响应曲线图对设计的ＰＩＤ控制器的性能进行评估。关键词：态软件；Ｍａｔｌａｂ；ＰＩＤ；自整定中图分类号：ＴＰ２１４文献标识码：Ａ

技术创新

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｆｉｅｌｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙｔｈｅＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｕｓｅｆｕｌａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏ－ｄｕｃｅｓｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ，ａｎｄａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｍｅｔｈｏｄｏｆＰＩＤｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇｂａｓｅｄｏｎＭａｔｌａｂ，ｗｈｉｃｈｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓｔｈｅｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｍａｋｅｓｔｈｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｆｌｅｘｉｂｌｅａｎｄｕｎｉｖｅｒｓａｌ．ＡｎｄｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂｙｔｈｅｓｔｅｐｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，Ｍａｔｌａｂ，ＰＩＤ，Ｓｅｌｆ－ｔｕｎｉｎｇ

１概述

对于常用的集散型控制系统（ＤＣＳ）及一般的工业测控系统，经常需要对运动系统进行控制，比例－积分－微分（ＰＩＤ）控制器是最早发展起来的一种控制器，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，目前被广泛应用在化工、冶金、机械、热工和轻工等工业过程控制，是应用最广泛的控制策略之一，因此，常在组态软件中选用ＰＩＤ控制，但ＰＩＤ控制器参数的整定一般需要经验丰富的现场工程技术人员来完成，既耗时又耗力，加之系统千差万别，使ＰＩＤ控制器参数的整定有一定难度，整定效果也不能令人满意。要使组态具有通用性，适用于各种模型ＰＩＤ控制，参数整定就更难。本文采用目前国际控制界应用最广泛的首选计算机工具———Ｍａｔｌａｂ语言及Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真软件，仿真整定ＰＩＤ控制器参数，使参数的整定变得简单，易行，使组态软件更灵活、通用。

Du(n)=u(n)-u(n-1)

（式１）

=Kp[e(n)-e(n-1)]+KIe(n)+KD[e(n)-2e(n-1)+e(n-2)]

式中，△ｕ（ｎ）为ｎ时刻输出的增量，ＫＰ为比例增增量式ＰＩＤ控制系益，ＫＩ为积分系数，ＫＤ为微分系数。

统示意图如图１所示。

R(n)

e(n)

¡¢£

PID

¡u(n)

¡

¡

T

u(t)

¡¢

¡¢

¡¢¡¢

y(t)

Y(n)

图１增量式ＰＩＤ控制系统框图

增量式ＰＩＤ控制算法中，每次只求出△ｕ（ｎ），且其

值只于前两次采样值有关，占用了较少的内存单元，编程方便，计算误差或计算精度问题对于控制量的计算影响较小。在计算机出故障时，只对△ｕ（ｎ）有影响，而对整个控制ｕ影响不大，因此可靠性较高。

为了编程方便，可将式１整理成如下形式：

２数字ＰＩＤ控制器在组态软件中的

实现

２．１数字ＰＩＤ控制器的设计

在组态软件中，采用增量式ＰＩＤ控制算法，其算法为：

郭巍：硕士研究生

基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．９０２１００１７）

－

Du(n)=a0e(n)+a1e(n-1)+a2e(n-2)

KIKD¡

)+

KPKP

K

a1=-KP(1+2D)¡a2=KD

KP

２．２数字ＰＩＤ控制器在组态软件中的实现

由式１可见，按增量式ＰＩＤ算法计算△ｕ（ｎ）只需式中：a0=KP(1+

２００例》

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