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孤岛运行微电网中模糊PID下垂控制器设计

D O I :10.7500/A

E P S 201203279

孤岛运行微电网中模糊P I D 下垂控制器设计

杨志淳1,刘开培1,乐健1,万梓琳2,王东旭3,苏毅4

(1.武汉大学电气工程学院,湖北省武汉市430072;2.中铁十一局集团电务工程有限公司,湖北省武汉市430071;

3.武汉供电公司,湖北省武汉市430013;

4.长江勘测规划设计研究院,湖北省武汉市430010

)摘要:针对微电网孤岛运行时分布式电源(D G )

所采用的传统电压/频率下垂控制方法的不足,提出了一种具有比例积分微分(P I D )结构的改进下垂控制方法,并根据电压和频率的变化,使用模糊推理技术来优化相应参数;设计了一种自适应模糊P I D 下垂控制器,

以进一步有效减小微电网孤岛运行时由于扰动所造成的电压/频率振荡三通过仿真计算验证了所提出的模糊P I D 下垂控制器设计的正确性和有效性三

关键词:微网(微电网);分布式电源;孤岛运行;下垂控制;比例积分微分(P I D )

;模糊推理收稿日期:2012-03-03;修回日期:2013-02-18三

国家自然科学基金资助项目(51007065,51007066

)三0 引言

系统电压和频率控制是微电网孤岛运行时需要重点解决的问题,目前所采用的控制方法主要包括:主从控制,即仅有一个或多个分布式电源(D G )

提供参考电压和参考频率[1

];对等控制,即采用下垂控制

方法,利用有功功率频率和无功功率电压下垂曲线将微电网系统的负荷功率分配给各D G

[2-3]

;多代

理控制,将多代理技术与微电网控制相结合,利用代理的自治性二响应能力二自发行为等特点构建一个能够嵌入各种控制且无需管理者经常参与的系统

[4-5]

三

目前微电网孤岛运行时研究和应用较多的是对

等控制三文献[6-7]

采用有通信线的方法来实现各D G 之间的协调控制,

但这些通信线限制了逆变器地理位置上的分布,同时也会给系统引入新的干扰三根据微电网的结构特点以及控制要求,无互联通信线的方法(如传统的下垂控制)则更适用于微电网中基于逆变器D G 的控制三该类方法只需检测逆变器自身的输出,通过调整自身输出电压的频率和幅值来控制输出的有功功率和无功功率,进而实现并联D G 之间功率分配的合理性和微电网的稳定性三但传统的下垂控制方法需采用低通滤波器来计算每个工频周期逆变器输出的有功功率和无功功率,存在响应速度慢的固有缺点[8-9

],且由于下垂因子固定,

使得在负荷变化时母线电压的幅值和频率波动较大

[10-11]

三同时由于各逆变器输出连接阻抗值存在差

异,从而很大程度上影响了无功功率分配的效

果[

12-13]

三文献[13

]分析了典型微电网中逆变器并联系统的有功环流和无功环流模型,并针对传统下垂控制时逆变器输出电压幅值和频率的不稳定问题,提出了改进的下垂系数自调节方法,减小了微电网负荷突变情况下母线电压幅值及频率的波动,但这种方法需要选择合适的控制参数才能较好地实现控制效

果三文献[14]针对传统逆变器无线并联系统稳态均流精度低和动态响应差等缺点,提出了基于传统无

线并联下垂法的新型多环控制结构,在传统的双环控制结构中增加了负载电流和输出电压补偿环,但

只能提高单台逆变器的性能三文献[15]提出了带有修正项的下垂控制方法,能有效跟踪功率变化,优化

了微电网内部的负荷分配,同时还可以防止微电网内部负荷变化引起的振荡,但这种方法中修正项的参数整定比较困难三

本文针对目前下垂控制存在的电压幅值和频率波动较大以及下垂系数不易选取等问题,提出了一种具有比例积分微分(P I D )

结构,并使用模糊推理来进行参数整定的改进下垂控制器,建立了该控

制器的数学模型,并给出了使用模糊推理进行参数

整定的原理和具体实现方法三最后通过仿真计算对所提出的设计方法的正确性和有效性进行了验证三

1 基于P I D 结构的控制器模型

不失一般性,本文以图1所示微电网结构为例,说明控制器的设计三该微电网包含3个D G 及其本地负荷三3个D G 均采用逆变器接口并入微电网三

第37卷第12期2013年6月25日V o l .37 N o .12

J u n e 25,2013

load3

I 3

图1 微电网结构

F i g .1 S t r u c t u r e o f t h em i c r o g

r i d 图2是以电压源逆变器(V S C )为接口的D G 与

微电网之间的连接示意图三由图可见,逆变器通过一个解耦阻抗与微电网在公共连接点(P C C )处相连三

图2 并网逆变器的等效电路

F i g .2 E q

u i v a l e n t c i r c u i t o f a n i n v e r t e r c o n n e c t e d t o ab u s

通常情况下,逆变器输出阻抗是高度感性的,即

Z ∠θ=X ∠90°

三根据微电网的并网运行和孤岛运行转换的特点,在传统下垂控制方法中加入有功功

率和无功功率的设定值,得到下垂控制方程为[

]:ω=ω*-m p (P -P 0)(1

)V o d =V *

-n q (

Q -Q 0)(2)式中:P 0和Q 0分别为D G 的额定有功功率和无功功率;ω*和V *分别为逆变器输出电压的额定角频率和幅值;V o d 为逆变器输出电压幅值的d 轴分量;ω为逆变器输出电压的角频率;m p 和n q 分别为频率和电压的下垂因子三

当采用上述下垂控制方法进行电压幅值和频率

的调节时,为了提高功率分配的精度,需要增大下垂因子m p 和n q ,

但这会影响系统的暂态响应特性和稳定性三并且当微电网出现频繁的负荷波动时,由于下垂系数是固定的,母线电压的幅值和频率的波动较大三为了解决该问题,本文提出了一种具有P I D 结构的新型功率分配控制器三这种控制器具有

3个自由度(d e g

r e eo f f r e e d o m ,D O F ),可以在调节静态下垂特性的同时改善系统的暂态特性三该新型下垂控制器可描述为:

ω=ω*-m p (P -P 0)-m I

∫

-∞(P -P 0)d τ-m D

d P d t

)V o d =

V *

-n q (Q -Q 0)-n I ∫

-∞(Q -Q 0)d τ-n D d Q d t

)式中:m p 和n q 在稳态负荷分配中起主要作用;m D 和n D 用以改善系统的动态性能;m I 和n I 用以消除系统的稳态误差三当微电网内部负荷出现显著变化

时,m D 和n D 以及m I 和n I 根据功率变化率的大小对下垂控制起到修正作用,确保系统的稳定性和良好的暂态响应特性,因此m D ,n D ,m I ,n I 也称为修正因子三

2 基于模糊推理的P I D 控制器参数整定方法

在上述控制器中,当m p ,m I ,m D 以及n q ,n I ,n D 为固定值时,其整定值难以满足微电网孤岛运行状况下不同负荷变化时电压幅值和频率的调整要求三同时由于微电网中D G 并网通过逆变器连接,系统具有很强的非线性,而且系统存在一些不确定因素(例如对于风力发电和光伏发电,风能和太阳能的随

机性都会给系统带来很大的干扰),因此必须考虑采用合理的参数整定方法,以实现微电网孤岛运行时系统电压幅值和频率的高精度鲁棒控制三

模糊控制具有鲁棒性好二算法简洁等优点,对于

非线性系统具有很好的适应性[16-17

],因此,本文利用

模糊控制进行P I D 控制器的参数整定三将式(3)

和式(4)所示具有P I D 结构的新型电压幅值和频率下垂控制器加以改进,设计成能够自适应调节P I D 参

数k P ,k I ,k D 的模糊P I D 下垂控制器,其结构如图3所示(新型电压幅值和频率P I D 下垂控制器结构框图见附录A 图A 1)三由于m p ,m I ,m D 和n q ,n I ,n D 的整定方法是相同的,并且通过不同的比例因子量化以后模糊集合也是相同的,因此,本文后续部分将

以k

k k 分别代表上述组参数中的个参数三

图3 模糊P I D 下垂控制系统F i g .3 F u z z y P I Dd r o o p c o n t r o l s y

s t e m 以频率控制为例,说明图3中的控制原理三模

糊规则与推理”模块通过对频率偏差e ω(

t )和频率偏差变化率e c ω(t )模糊化后,根据不同时刻e ω(

t )和e c ω(

t )的取值,按照下文2.2节给出的模糊规则,推理出与e ω(t )和e c ω(t )相对应的k P ,k I ,k D 的值,然后将k P ,k I ,k D 的值输入给新型频

率P

I D 下垂控制器中的P I D 的3个参数三模糊规则与推理”模块和新型电压幅值和频率P I D 下垂控制器”模块共同构成了模糊P I D 下垂控制器三模糊P I D 下垂控制

02 2013,37(12

)

器通过对设定值与实际值的偏差和偏差变化率的判

断,使实际值最终追踪到设定值三2.1 模糊变量及其隶属度函数

在电压幅值和频率模糊P I D 控制系统中,

选取电压幅值(频率)偏差e V (t )(e ω(

t ))和电压幅值(频率)偏差变化率e c V (t )(e c ω(t ))为输入语言变量,k P ,

k I ,k D 为输出语言变量三偏差e (t )和偏差变化率e c (

t )的表达式如下:e V (t )=V *

o d -V o d

e ω(t )=

ω*

ω(5)e c V (t )=d (V *o d -V o d )d t

e c ω(t )

=d (ω*

-ω)d ì?í????t

(6)为了便于控制,将电压幅值偏差e V (

t )和偏差变化率e c V (

t )的基本论域分别取为[-330,330]V 和[-330,330]V /s ;频率偏差e ω(

t )和偏差变化率e c ω(

t )的基本论域分别取为[-60,60]H z 和[-60,60]H z /s ;m p 的基本论域取为[-3×10-4,3×10-4];n q 的基本论域取为[-3×10-3,3×10-3];m I 和n I 的基本论域取为[

-3×10-4,3×10-4];m D 和n D 的基本论域取为[-6×10-7,6×10-7

]

三e V (t )和e c V (t )的量化因子分别取为0.009;e ω(t )和e c ω(t )的量化因子分别取为0.083;m p ,n q ,

m I ,n I ,m D ,n D 的比例因子分别取为104,103,104,104,5×

106,5×10

,使得控制器输入和输出变量的基本论域经量化后均落在模糊集合{-3,-2,-1,0,1,2,3}内,相应的语言变量集合为{负大(N B )

,负中(NM ),负小(N S ),零(Z O ),正小(P S ),正中(P M )

,正大(P B )

}三e (t ),e c (t ),k P ,k I ,k D 的隶属度函数如图4所示三

图4 模糊变量隶属度函数

F i g .4 M e m b e r s h i p d e g r e e f u n c t i o no f f u z z y v

a r i a

b l e s 2.2 模糊规则与推理

基于模糊控制中通常使用的多输入多输出模糊规则 I f 条件1a n d 条件2 a n d 条件n t h e n 语

句1a n d 语句2 a n d 语句n ”

[18]

,本文提出一组2输入3输出模糊控制规则:

i f e (t )a n d e c (t )t h e n k P

a n d i f e (t )a n d e c (t )t h e n k I

a n d i f e (t )a n d e c (t )t h e n k D

其具体含义见表1中的黑色字体,如果e (t

)取N B (负大),e c (t )取N B (负大),则k P 取P

B (正大),k I 取N B (负大),k D 取P

S (正小);以此类推,分别对应于k P ,k I ,k D 均有7×7=49条规则三采用M a m d a n i 模糊推理方法进行推理,

解模糊方法使用中心面积法三根据以上规则形成和推理方法,并结合各输入输出模糊量的隶属度函数,得到完整的模糊控制规则如表1所示三

表1 模糊P I D 控制规则

T a b l e 1 C o n t r o l r u l e s o f f u z z y P

I D e c (t )e (t

)N B NM N S

Z O

P S

P M

P B

N B

P B ,N B ,P S P B ,N B ,N S P M ,NM ,N B P M ,NM ,N B

P S ,N S ,N B Z O ,Z O ,NM Z O ,Z O ,P S

NM P B ,N B ,P S

P B ,N B ,N S P M ,NM ,NM P S ,N S ,NM P S ,N S ,NM

Z O ,Z O ,N S

N S ,Z O ,Z O

N S P M ,N B ,Z O

P M ,NM ,N S

P M ,N S ,NM

P S ,N S ,NM Z O ,Z O ,N S

N S ,P S ,N S N S ,P S ,Z O

Z O P M ,NM ,Z O P M ,NM ,N S P S ,N S ,N S Z O ,Z O ,N S N S ,P S ,N S

NM ,P M ,N S NM ,P M ,Z O P S

P S ,NM ,Z O

P S S ,N S ,Z O Z O ,Z O ,Z O N S ,P S ,Z O

N S ,P S ,Z O

NM ,P M ,Z O

NM ,P B ,Z O P M P S ,Z O ,P B Z O ,Z O ,N S N S ,P S ,P S

NM ,P S ,P S

NM ,P M ,P S NM ,P B ,P S N B .P B .P B P B

Z O ,Z O ,P B

Z O ,Z O ,P M

NM ,P S ,P M NM ,P M ,P M

NM ,P M ,P S

N B ,P B ,P S

N B ,P B ,P B

3 仿真分析

3.1 仿真模型及参数

在P S C A D 中建立图1所示微电网的孤岛运行

仿真模型三系统额定频率为50H z

,微电网内部的线路阻抗以阻性为主,均为Z =(2.56+j 1.72)Ω三各D G 额定功率为P D G 1=20k W ,P D G 2=1

5k W ,P D G 3=12k W ;负荷初始功率为P l o a d 1=1

1k W ,Q l o a d 1=3.6k v a r ,P l o a d 2=10k W ,Q l o a d 2=3k

v a r ,P l o a d 3=8k W ,Q l o a d 3=

2.5k v a r 三D G 逆变器的电压电流环采用文献[19-21

]中的控制方法,逆变器及其控制器参数见附录A 表A 1所示三

3.2 仿真结果及分析

文献[19

]中的传统下垂控制是一种在微电网孤

12 四绿色电力自动化四杨志淳,等孤岛运行微电网中模糊P I D 下垂控制器设计

岛运行时普遍采用的方法,该方法与本文方法相比,

只包含比例环节,而且比例系数是固定的,在负荷功率发生变化时,微电网的动态性能较差,且稳态误差较大三为了验证本文提出的模糊P I D 下垂控制方

法的正确性,将文献[19]

提出的传统下垂控制方法(简称方法1)与本文提出的模糊P I D 下垂控制方法(简称方法2)进行对比三

仿真过程中,设定1.5s 时负荷1的有功功率增加11.3k W ,无功功率增加3.5k v a r ;3.5s 时负

荷1的有功功率减少17.5k W ,

无功功率减少5.5k v a r 三由于D G 1距离负荷1最近,

因此选用D G 1输出的电压二电流和频率作为比较对象三由于e V (t )和e c V (t )对k P ,k I ,k D 的控制规则与e ω(t )和e c ω(

t )相同,因此附录A 图A 2给出了采用方法2时,模糊P I D 参数k P ,k I ,k D 随输入量e V (

t )和e c V (t )变化而变化的情况三图5给出了分别采用2种方法得到的D G 1输

出电压波形三由图5(a

)可见,采用方法1时,输出电压波形在1.5s 时出现了电压暂降,

暂降幅值为10V 左右,在3.5s 时出现了电压骤升,骤升幅值为40V 左右,暂降和骤升持续时间均为0.05s 三这是由于负荷无功功率变化较大,而采用方法1的下垂控制器为确保系统的稳定性需采用较小的下垂因子

n q ,

因此在短时间内出现电压波动;由图5(b )可见,采用方法2时,当负荷变动时通过自适应调整P I D

的n q ,n I ,n D 能保证电压基本无波动三图5 D G 1输出电压波形

F i g .5 O u t p u t v o l t a g

e o fD G 1u n d e r t w o c o n t r o lm e t h o d s 图6给出了分别采用2种控制方法得到的微电

网频率变化波形三由图6(a )可见,对于方法1,当系统负荷变化时,输出频率变化较大三这是由于为确

保系统的稳定性,基于方法1的下垂控制器需采用较小的下垂因子m p ;由图6(b

)可见,对于方法2,有功下垂因子m p 会随着有功功率的变化而变化,同时参数m I 和m D 能保证系统的稳定性

三

图6 系统频率波形

F i g .6 S y s t e mf r e q u e n c y u

n d e r t w o c o n t r o lm e t h o d s 附录A 图A 3 图A 5分别给出了2种控制方

法下各D G 的输出功率对比以及D G 1的输出电压和电流d q 轴分量的对比三

图A 3为2种控制方法下各D G 输出功率的变化曲线三2种方法在负荷功率变化时均能进行较精确的功率分配,但方法2能通过实时调节P I D 控制参数来抑制系统暂态响应从而实现平滑的功率注入,因此系统更加稳定,输出波形也更加平稳三图A 4和图A 5分别为2种控制方法下D G 1输出电压和电流的d q 轴分量三采用方法1时,当系统启动以及负荷变化时,输出电压和电流出现较大的波动,当系统达到稳定运行后,输出电压和电流的幅值也存在较小的波动;而方法2受修正因子的制约,其稳态性能更好三

对上述仿真结果的分析表明,本文所提出的具有模糊P I D 结构的下垂控制器不仅能更精确平稳地在各D G 之间分配负荷,同时在出现较大干扰时能较好地抑制系统电压幅值和频率的波动,保证了系统具有良好的动态特性和稳定性三

4 结语

本文提出了具有P I D 结构的改进的下垂控制

方法,并设计了模糊P I D 下垂控制器三仿真结果表

明,该下垂控制器在稳态运行时能进一步提高D G

22 2013,37(12

)

之间功率分配的精度,在系统出现较大干扰时能较好地抑制电压幅值和频率的波动,具有鲁棒性强二跟踪性能好等优点,同时实现简单,可更好地满足微电网孤岛运行时系统控制的要求三

附录见本刊网络版(h t t p://a e p s.s g e p r i.s g c c.

c o m.c n/a e p s/c h/i n

e x.a s p x)三

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杨志淳(1987 ),男,博士研究生,主要研究方向:分布式电源二微电网控制及电能质量三E-m a i l:y a n g z h i c h u n3600 @163.c o m

刘开培(1962 ),男,教授,博士生导师,主要研究方向:电力电子技术三

乐健(1975 ),男,通信作者,博士研究生,副教授,主要研究方向:柔性输电技术与电能质量控制技术三E-m a i l: l e j01@m a i l s.t s i n g h u a.e d u.c n

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()

翟晶晶

(下转第68页 c o n t i n u e do n p a g e68)

四绿色电力自动化四杨志淳,等孤岛运行微电网中模糊P I D下垂控制器设计

(上接第23页 c o n t i n u e d f r o m p a g e23)

D e s i g no f F u z z y P I DD r o o p C o n t r o l l e r s f o r I s l a n d e dM i c r o g r i d s

Y A N GZ h i c h u n1敩L I U K a i p e i1敩L EJ i a n1敩WA N Z i l i n2敩WA N G D o n g x u3敩S UY i4

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4敭C h a n g j i a n g I n s t i t u t e o f S u r v e y敩P l a n n i n g敩D e s i g na n dR e s e a r c h敩W u h a n430010敩C h i n a敥

A b s t r a c t敽T oo v e r c o m et h ei n h e r e n ts h o r t c o m i n g so ft h ec o mm o n l y u s e d v o l t a g e敮f r e q u e n c y d r o o p c o n t r o lf o rd i s t r i b u t e d g e n e r a t o r s敤D G s敥i n i s l a n d e dm i c r o g r i d s敩a n i m p r o v e dd r o o p c o n t r o lw i t ha p r o p o r t i o n a l-i n t e g r a l-d e r i v a t i v e敤P I D敥s t r u c t u r e i s p r o p o s e d敭T h eP I D p a r a m e t e r s a r e o p t i m i z e du s i n g t h e f u z z y l o g i c a l r e a s o n i n g t e c h n o l o g y b a s e d o n t h e v a r i a t i o n s o f v o l t a g e a n d f r e q u e n c y敭A n dt h e na na d a p t i v ef u z z y P I D d r o o p c o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt of u r t h e rr e d u c et h eo s c i l l a t i o n so fv o l t a g ea n d f r e q u e n c y d u e t od i s t u r b a n c e s f r o m m i c r o g r i d s敭T h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t y o f t h e p r o p o s e df u z z y P I Dd r o o p c o n t r o l l e ra r e v e r i f i e db y s i m u l a t i o n敭

T h i sw o r k i s s u p p o r t e db y N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a敤N o敭51007065敩N o敭51007066敥敭

K e y w o r d s敽m i c r o g r i d s敾d i s t r i b u t e d g e n e r a t o r s敾i s l a n d i n g o p e r a t i o n敾d r o o p c o n t r o l敾p r o p o r t i o n a l-i n t e g r a l-d e r i v a t i v e敤P I D敥敾f u z z y l o g i c a l r e a s o n i n g

模糊PID控制器的设计与仿真——设计步骤(修改)

模糊PID 控制器的设计与仿真设计模糊PID 控制器时，首先要将精确量转换为模糊量，并且要把转换后的模糊量映射到模糊控制论域当中，这个过程就是精确量模糊化的过程。模糊化的主要功能就是将输入量精确值转换成为一个模糊变量的值，最终形成一个模糊集合。本次设计系统的精确量包括以下变量：变化量e ，变化量的变化速率ec 还有参数整定过程中的输出量ΔK P ，ΔK D ，ΔK I ，在设计模糊PID 的过程中，需要将这些精确量转换成为模糊论域上的模糊值。本系统的误差与误差变化率的模糊论域与基本论域为：E=[-6,-4,-2,0,2,4,6];Ec=[-6,-4,-2,0,2,4,6]。模糊PID 控制器的设计选用二维模糊控制器。以给定值的偏差e 和偏差变化ec 为输入；ΔK P ，ΔK D ，ΔK I 为输出的自适应模糊PID 控制器，见图1。图1模糊PID 控制器（1）模糊变量选取输入变量E 和EC 的模糊化将一定范围(基本论域)的输入变量映射到离散区间(论域)需要先验知识来确定输入变量的范围。就本系统而言，设置语言变量取七个，分别为 NB ，NM ，NS ，ZO ，PS ，PM ，PB 。 (2)语言变量及隶属函数根据控制要求，对各个输入，输出变量作如下划定： e ，ec 论域：｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝ ΔK P ，ΔK D ，ΔK I 论域：｛-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6｝应用模糊合成推理PID 参数的整定算法。第k 个采样时间的整定为 ).()(,)()(,)()(000k K K k K k K K k K k K K k K D D D I I I P P P ?+=?+=?+= 式中000,,D I P K K K 为经典PID 控制器的初始参数。

pid控制器设计

目录一设计任务与要求二系统校正的基本方法与实现步骤三PID的控制原理与形式模型四设计的原理五设计方法步骤及设计校正构图六设计总结七致谢八参考文献

一设计任务与要求校正对象：已知单位负反馈系统，开环传递函数为：s s s s G 1047035.87523500 )(23++=，设计校正装置，使系统满足：（1）相位稳定裕量o 45≥γ （2）最大超调量%5≤σ 二系统校正的基本方法与实现步骤系统校正就是在自动控制系统的合适位置加入适当的装置，以改善和提高系统性能。按照校正装置在自动控制系统中的位置，可分为串联校正，反馈校正和顺馈补偿。顺馈补偿方式不能独立使用，通常与其他方式同时使用而构成复合控制。顺馈补偿装置满足一定条件时，可以实现全补偿，但前提是系统模型是准确的，如果所建立的系统模型有较大误差，顺馈补偿的效果一般不佳。反馈校正主要是针对系统中的敏感设备——其参数可能随外部环境条件发生变化，从而影响自动控制系统的性能——给敏感设备增加局部负反馈支路以提高系统的抗扰能力。由于负反馈本身的特性，反馈校正装置通常比较简单，只有比例（硬反馈）和微分（软反馈）两种类型。串联校正是最基本也是最常用的校正方式，根据校正装置是否使用独立电源，可分为有源校正装置和无源校正装置；根据校正装置对系统频率特性的影响，可分为相位滞后、相位超前和相位滞后－超前校正装置；根据校正装置的运算功能，可分为比例（P ）校正、比例微分（PD ）校正、比例积分（PI ）校正和比例积分微分（PID ）校正装置。

三 PID 控制的原理与形式模型具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称PID 控制器。这种组合具有三种基本规律各自的特点，其运动方程为： dt t de dt t e t e t m K K K K K d p t i p p )()()()(0++=? 相应的传递函数为： ??? ? ? ? + +=S S s K K K G d i p c 1)( S S S K K K d i p 12++ ?= PID 控制的结构图为：若14

PID控制;模糊控制;模糊PID控制器

摘要交流伺服电机现广泛应用于机械结构的驱动部件和各种数控机床。PID控制是伺服系统中使用最多的控制模式之一。尽管传统的PID控制系统构造简单、运转稳定，但交流伺服电机存在非线性的、强耦合。当参数变动或非线性因素的影响发生变化时，控制不能实时改动，不能满足系统高性能、高精度的要求。结合模糊控制和传统PID控制成一种新的控制方法--模糊PID控制是解决上述问题的一种很好的途径。模糊控制器不需要被控对象的数学模型，而是根据之前人为设定的控制要求设计用来控制的决策算法，使用此方式确定控制量。模糊控制和传统PID控制融合的结果，不单具有模糊控制的高性能，还具备传统PID控制精准度高的长处。本文对PID控制算法的原理和模糊控制算法作了简要的描述和比较。指出模糊PID混合控制法，在误差很大时使用模糊控制,在不大时使用PID控制,在MATLAB软件中，对交流伺服系统的位置控制进行了仿真。结果表明，该控制系统仿真结果与理论上差距较小。关键词：PID控制；模糊控制；模糊PID控制器；MATLAB 第1章绪论 1.1 研究课题的任务本课题的任务是了解交流伺服系统，比较并结合两种控制的优点，结合成一种新的控制方式--模糊PID控制。该控制法在系统输出差距大时采用模糊控制，而在差距较小时采用PID控制。文章最后给出了模糊PID位置控制的MATLAB响应图，同时给出了常规PID控制下的效果图，并比较分析。 1.3 交流伺服系统工作原理相对单一的系统，其一般是根据位置检测反馈组成闭环位置伺服系统。其组成框图参考图1-1内容[14]。此类系统主要原理是对比输入的目标位置信号和位置检测设备测试的真实位置信号统计其偏差且使用功率变换器的输入端弱化误差。控制量被信号转换和功率放大驱动，驱动伺服组织，促使误差不断缩减少，一直到最佳值。（1）位置检测装置是此类系统的关键构成方面，完整系统的动态功能是否可以满足需求，关键的是位置检测传感器的科学选择以及精度。当前普遍使用的位置传感器主要是接触式，接近式，曲轴位置，节气门位置等多种类型的传感器。（2）在此类系统中，功率变换器是完成此类电机高性能调速的关键。此外，它应该具备较稳定的输出功率和较高的调频电压精度，而且还需要在有温差是稳定运行的能力、较强的电磁抗干扰能力、系统异常保护的功能。（3）伺服电机是伺服系统的主要组成部分。伺服电机具有良好的低速特性是伺服电机具有高精度的关键。伺服系统的快速响应（急停，启动）也指出此类电机需要具备更小的转动惯量、较高加速转矩（过载转矩）、相对平稳性等。当前被普遍使用的主要是感应式交流异步电动机等类型。（4）控制器其一般包含微处理芯片，比如微处理器以及数字信号处理器（DSP）等部分。一般闭环控制系统的功能更加完善，具备方位、速度与电流反馈等功能。参考图1-2可知。图1-2 交流伺服系统的三闭环结构电流环和速度环全部是内环。前者的功能是：提升内环控制主体的传递函数的精准性，促进系统的平稳运作。避免电流环内部的干扰；防止发生电路内电流超出额定数值的问题，保证系统的安全运行。

模糊PID控制器设计

模糊PID控制器 o引言： PID控制作为一种典型的传统反馈控制器，以其结构简单，易于实现和鲁棒性好等特点在工业过程控制中广泛应用。但是传统PID控制器的参数需要被控对象的数学模型来进行调整，而控制过程中的滞后性、控制参数的非线性和高阶陛增加了对Kp、Ki、Kd三个参数的调整难度。所以对确定的控制系统通过复杂的计算后，其三个参数的值在控制运行中一般是固定的，不易进行在线的调整。而在实际的工业生产过程中，许多被控对象受到负荷变化和干扰因素的作用，其对象参数的特征和结构易发生改变，这就需要对参数进行动态的调整。同样因为被控系统的复杂性和不确定性，其精确的数学模型难以建立，甚至无法建立模型，所以需要利用模糊控制技术等方法来解决。模糊PID无需考虑被控系统的模型，而只根据其误差e和误差变化ec等检测数据来自适应调整Kp、Ki、Kd的值，最终使被控系统处于稳定工作态。1、传统PID控制器： PID参数模糊自整定是找出PID中3个参数与e和ec之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和ec，根据模糊控制原理来对3个参数进行在线修改，以满足不同e和ec时对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动稳态性能。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等方面来考虑Kp,Ki,Kd的作用如下： (1)比例系数Kp的作用是：加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至导致系统不稳定；Kp取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 ⑵积分作用系数Ki的作用是：消除系统的稳态误差。Ki越大，系统的稳态误差消除越快，但Ki过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调；若Ki 过小，将使系统稳态误差难以消除，影响系统的调节精度。 (3)微分作用系数Kd的作用是：改善系统的动态特性。其作用主要是能反应偏差信号的变化趋势,并能在偏差信号值变得太大之前，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，减少调节时间。 2、模糊PID参数自整定控制器设计 2.1控制器结构： 2.2模糊化由PID各个参数对系统的影响得到:

数字PID控制器设计

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

根据SIMULINK的PID自动控制控制器设计与仿真

基于SIMULINK的PID控制器设计与仿真 1.引言 MATLAB是一个适用于科学计算和工程用的数学软件系统，历经多年的发展，已是科学与工程领域应用最广的软件工具。该软件具有以下特点：数值计算功能强大；编程环简单；数据可视化功能强；丰富的程序工具箱；可扩展性能强等。Simulink是MATLAB下用于建立系统框图和仿真的环境。Simulink环境仿真的优点是：框图搭建方便、仿真参数可以随时修改、可实现完全可视化编程。比例-积分-微分（Proporitional-Integral-Derivative,PID）是在工业过程控制中最常见、应用最广泛的一种控制策略。PID控制是目前工程上应用最广的一种控制方法，其结构简单，且不依赖被控对象模型，控制所需的信息量也很少，因而易于工程实现，同时也可获得较好的控制效果。 2.PID控制原理当我们不能将被控对象的结构和参数完全地掌握，或者是不能得到精确的数学模型时，在这种情况下最便捷的方法便是采用PID 控制技术。为了使控制系统满足性能指标要求，PID 控制器一般地是依据设定值与实际值的误差，利用比例（P）、积分（I）、微分（D）等基本控制规律，或者是三者进行适当地配合形成相关的复合控制规律，例如，PD、PI、PID 等。图2-1 是典型PID 控制系统结构图。在PID 调节器作用下，对误差信号分别进行比例、积分、微分组合控制。调节器的输出量作为被控对象的输入控制量。

图2-1典型PID 控制系统结构图 PID 控制器主要是依据给定值r （t ）与实际输出值y （t ）构成控制偏差，用公式表示即e （t ）=r （t ）-y （t ），它本身属于一种线性控制器。通过线性组合偏差的比例（P ）、积分（I ）、微分（D ），将三者构成控制量，进而控制受控对象。控制规律如下： 1 01() ()[()()]p d i de t u t K e t e t dt T T dt =++? 其传递函数为： ()1()(1)()p d i U s G s K T S E s T s = =++ 式中：Kp--比例系数； Ti--积分时间常数； Td--微分时间常数。 3.Simulink 仿真 3.1 建立数学建模 3.2 仿真实验在传统的PID 调节器中，参数的整定问题是控制面临的最主要的问题，控制系统的关键之处便是将Kp 、Ti 、Td 三个参数的值最终确定下来。而在工业

常规pid控制器与模糊控制器的比较

上机实验已知系统的传递函数为G(S)=1/(10S+1)e-0.5s。假设系统给定为阶跃值r=30，系统的初始值r(0)=0试分别设计常规PID控制器和模糊控制器。常规PID控制器的设计：利用Ziegler-Nichols整定公式整定PID调节器的初始参数由公式可得 P=18 Ti=1.65 Td=0 SIMULINK仿真图设定仿真时间为10s 仿真结果模糊控制器的设定 1在matlab命令窗口输入“fuzzy”确定模糊控制器结构：即根据具体的系统确定输入、输出量。选取二维控制结构，即输入为误差e和误差变化ec，输出为u如下图所示 2输入输出变量的模糊化：即把输入输出的精确量转化为对应语言变量的模糊集合。首先我们要确定描述输入输出变量语言值的模糊子集，如{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，并设置输入输出变量的论域，然后我们为模糊语言变量选取相应的隶属度函数。如下图所示 3模糊推理决策算法设计：即根据模糊控制规则进行模糊推理，并决策出模糊输出量。首先要确定模糊规则，即专家经验。如图。

制定完之后，会形成一个模糊控制规则矩阵，然后根据模糊输入量按照相应的模糊推理算法完成计算，并决策出模糊输出量。 4．对输出模糊量的解模糊：模糊控制器的输出量是一个模糊集合，通过反模糊化方法判决出一个确切的精确量，反模糊化方法很多，我们这里选取重心法。 SIMULINK仿真图在模糊控制器的输入和输出均有一个比例系数，我们叫它量化因子，它反映的是模糊论域范围与实际范围之间的比例关系，这里模糊控制器输入的论域范围均为[-6，6]，假设误差的范围是[-10，10]，误差变化率范围是[-100，100]，控制量的范围是[-24，24]，那么我们就可以算出量化因子分别为0.6，0.06，8。量化因子的选取对于模糊控制器的控制效果有很大的影响，当输出量化因子调为10控制效果更好。仿真曲线常规PID控制器和模糊控制器的比较由仿真结果可见两种控制器对系统的各项性能指标都有了改进，常规PID还是有超调量，模糊控制器的超调量几乎为零。

变速积分PID控制系统设计

课程设计报告设计题目变速积分PID控制系统设计课程名称计算机控制技术B 姓名苏丹学号2008100731 班级自动化0803 教师闫高伟

设计日期2011年7月5日目录摘要............................................................ 错误!未定义书签。Abstract .. (4) 第1章数字PID及变速积分简介.................................... 错误!未定义书签。 1.1 数字PID发展介绍 (1) 1.2 PID控制器工作原理 (2) 1.2.1 模拟式PID控制算法.................................. 错误!未定义书签。 1.2.2 数字式PID控制算法 (3) 1.3 变速积分简介............................................... 错误!未定义书签。第2章系统分析与设计............................................ 错误!未定义书签。 2.1 系统功能分析............................................... 错误!未定义书签。 2.1.1 对象整体分析 (5) 2.1.2系统分析与设计与系统开环增益 (6) 2.2计算机系统选择分析 (6) 2.2.1 8088CPU简介 (6) 2.2.2 其余模块的使用 (7) 2.3 软件设计分析 (12) 第3章硬件设计与软件编程 (12) 3.1 硬件设计 (12) 3.1.1 系统方框图 (12) 3.1.2 线路原理图 (12) 3.2 软件编程 (13) 3.2.1 软件流程图 (14) 3.2.2 程序源代码 (21) 第4章设计仿真与运行分析 (21) 4.1 结果分析 (21) 4.2 matlab仿真 (22) 总结.............................................................................错误!未定义书签。附录....... (26) 附录1 线路原理图 (28) 附录2 TDN-AC/ACS＋教学实验系统介绍 (28) 附录3 参考资料 (30)

PID控制器设计

PID 控制器设计

PID 控制器设计被控制对象的建模与分析在脑外科、眼科等手术中，患者肌肉的无意识运动可能会导致灾难性的后果。为了保证合适的手术条件，可以采用控制系统自动实施麻醉，以保证稳定的用药量，使患者肌肉放松，图示为麻醉控制系统模型。图1结构框图被控制对象的控制指标取τ=0.5，k=10,要求设计PID 控制器使系统调节时间t s ≤8s,超调量σ％不大于15％，并且输出无稳态误差。控制器的设计 PID 控制简介 PID 控制中的积分作用可以减少稳态误差, 但另一方面也容易导致积分饱和, 使系统的超调量增大。微分作用可提高系统的响应速度, 但其对高频干扰特别敏感, 甚至会导致系统失稳。所以, 正确计算控制器的参数, 有效合理地实现 PID 控制器的设计,对于PID 控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。在PID 控制系统中, PID 控制器分别对误差信号e （t ）进行比例、积分与微分运算, 其结果的加权和构成系统的控制信号u （t ），送给对象模型加以控制。 PID 控制器的数学描述为其传递函数可表示为: 1 1.0) 1.0(++s s k τ )1.0()15.0(1 2++s s 控制器人药物输入 R(s ) 预期松弛程度 C(s) 实际松弛程度 + -

从根本上讲, 设计PID 控制器也就是确定其比例系数Kp 、积分系数T i 和微分系数T d , 这三个系数取值的不同, 决定了比例、积分和微分作用的强弱。控制系统的整定就是在控制系统的结构已经确定、控制仪表和控制对象等处在正常状态的情况下, 适当选择控制器的参数使控制仪表的特性和控制对象的特性相配合, 从而使控制系统的运行达到最佳状态, 取得最好的控制效果。下面介绍基于MATLAB 的 Ziegler-Nichols 算法PID 控制器设计。原系统开环传递函数G(s)=)1.0)(15.0)(11.0(10 +++s s s 做原系统零极点图图2原系统零极点图

基于MATLAB的PID控制器设计说明

基于MATLAB的PID 控制器设计

基于MATLAB的PID 控制器设计一、PID控制简介 PID控制是最早发展起来的经典控制策略, 是用于过程控制最有效的策略之一。由于其原理简单、技术成，在实际应用中较易于整定, 在工业控制中得到了广泛的应用。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型,只需在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数, 经过经验进行调节器参数在线整定, 即可取得满意的结果, 具有很大的适应性和灵活性。积分作用:可以减少稳态误差, 但另一方面也容易导致积分饱和, 使系统的超调量增大。微分作用:可提高系统的响应速度, 但其对高频干扰特别敏感, 甚至会导致系统失稳。所以, 正确计算控制器的参数, 有效合理地实现 PID控制器的设计,对于PID 控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。在PID控制系统中, PID控制器分别对误差信号e（t）进行比例、积分与微分运算, 其结果的加权和构成系统的控制信号u（t），送给对象模型加以控制。 PID控制器的数学描述为其传递函数可表示为: 从根本上讲, 设计PID控制器也就是确定其比例系数Kp、积分系数T i 和微分系数T d , 这三个系数取值的不同, 决定了比例、积分和微分作用的强弱。控制系统的整定就是在控制系统的结构已经确定、控制仪表和控制对象等处在正常状态的情况下, 适当选择控制器参数使控制仪表的特性和控制对象的特性相配合, 从而使控制系统的运行达到最佳状态, 取得最好的控制效果。二、MATLAB的 Ziegler-Nichols算法PID控制器设计。 1、PID控制器的Ziegler-Nichols参数整定在实际的过程控制系统中, 有大量的对象模型可以近似地由一阶模型来表示。这个对象模型可以表示为 sL - e sT 1 K G(s) + = 如果不能建立起系统的物理模型, 可通过试验测取对象模型的阶跃响应, 从而得到模型参数。当然, 我们也可在已知对象模型的情况下, 利用MATLAB，通过使用step ( ) 函数得到对象模型的开环阶跃响应曲线。在被控对象的阶跃响应中, 可获取K 、L 和T参数, 也可在MATLAB中由dcgain ( ) 函数求取 K值。

模糊控制与传统PID控制比较

引言：模糊控制不需要确定系统的精确数学模型，是一种基于规则的控制。模糊控制在智能控制领域由于理论研究比较成熟、实现相对比较简单、适应面宽而得到广泛的应用。不论是对复杂的水泥回转窑的控制，还是在智能化家用电器中的应用，模糊控制都充当着重要的角色。一个典型工业过程通常可以等效为二阶系统加上一个非线性环节（如纯滞后），给出如下典型控制对象传递函数的一般形式： Gp（s）=K*e-τs/(T1s+1)（T2s+1） PID控制： PID控制是自动控制领域产生最早、应用最广的一种控制方法。 PID控制原理图：

PID控制器传递函数的一般表达式为： Gc（s）=kp+ki/s+kd*s kp为比例增益；ki为积分增益；kd为微分增益控制器的关键是确定三个增益值，在simulink中搭建PID系统控制模型如下图示： PID仿真结果：

模糊控制：模糊控制是运用语言归纳操作人员的控制策略，运用变量和模糊集合理论形成控制算法的一种控制。模糊控制原理框图：一个基本模糊控制器主要有三个功能：（1）模糊化：把精确量(如偏差e和偏差变化ec)转化为相应的模糊量（E、EC）; （2）模糊推理：按总结的语言规则（模糊控制规则表）进行模糊推理；（3）模糊判决：把推理结果（U）从模糊量转化为可以用于实际控制的精确量（u）模糊控制器的基本机构

设计模糊控制器主要步骤： 1.选择偏差e、偏差变化ec和控制量u的模糊语言变量为E、 EC和U。根据e、ec和u实际的基本论域，设定E、EC 和U论域都为[-6,6],可以确定出量化因子Ke、Kc和比例因子Ku。。 2.选取E、EC和U的各语言变量直，正大PB,正中PM,正小 PS，零ZE，负小NS，负中NM，负大NB，它们各自在论域上的模糊子集隶属度函数均为三角形， 3.根据总结的人工操作策略设计出模糊控制策略表： ek=yr-yk △ek=ek-ek-1

数字PID控制器设计制作(附答案)

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。其整定步骤如下：；

经典PID与模糊PID控制

经典 PID 与模糊 PID 控制一、 PID 控制规律控制输出由三部分组成：比例环节——根据偏差量成比例的调节系统控制量 ,以此产生控制作用 , 减少偏差。比例系数的作用是加快系统的响应速度 ,比例系数越大 ,系统响应速度越快,系统的调节精度越高 , 但容易产生超调 , 甚至会导致系统的不稳定 ; 比例系数过小,会降低系统调节精度 ,系统响应速度变慢 ,调节时间变长 ,系统动态、静态特性变坏。比例控制是最简单的控制结构，然而，它也能使系统满足某一方面的特性要求，如 GM 、 PM 、稳态误差等。积分环节——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 的大小, TI 越小,积分作用越强。需要注意的是积分作用过强 , 可能引起系统的不稳定。微分环节——根据偏差量的变化趋势调节系统控制量 , 在偏差信号发生较大的变化以前 , 提前引入一个早期的校正注意的是微分作用过强 , 可能引起系统的振荡。已知被控对象的数学模型：二、经典 PID 设计由于在设计 PID 控制器中要调整 3 个参数，根轨迹与波特图设计方法通常不被直接采用。 Ziegler 与 Nichols 发展了 PID 调节器设计方法。该方法基于简单的稳定性分析方法。首先，置 K D K I 0，然后增加比例系数直至系统开始振荡（即闭环系统极点在 jw 轴上）。再将该比例系数乘 0.6 ，其他参数按下式计算： K P 0.6K m K D K P Pi 4w m K I K P w m Pi 式中， K m 为系统开始振荡时的 K 值； w m 为振荡频率。然而，该设计方法在设计过程中没有考虑任何特性要求。但是 Ziegler 与 Nichols 发现这种设计方法给予过程控制器提供了好的工作性能。工程师们的多年实践经验证明，这种设计方法的确是一种好的方法。 G(s) 2s (s 1)(s 3)(s 4)

PID控制器设计

PID控制器设计一、PID控制的基本原理和常用形式及数学模型具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称PID控制器。这种组合具有三种基本规律各自的特点，其运动方程为： dt t de dt t e t e t m K K K K K d p t i p p )( )( )( )( + + =? (1-1)相应的传递函数为： ? ? ? ? ? ? + + =S S s K K K G d i p c 1 ) ( S S S K K K d i p 1 2+ + ? = (1-2) PID控制的结构图为：若1 4< T i τ，式（1-2）可以写成： = ) (s G c()() S S S K K i P 1 1 2 1 + + ? τ τ 由此可见，当利用PID控制器进行串联校正时，除可使系统的型别提高一级外，还将提供两个负实零点。与PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高系统的稳态性能的优点外，还多提供一个负实零点，从而在提高系统动态性能方面，具有更大的优越性。因此，在工业过程控制系统中，广泛使用PID控制器。PID控制器各部分参数的选择，在系统现场调试中最后确定。通常，应使积分部分发生在系统频率特性的低频段，以提高系统的稳态性能；而使微分部分发生在系统频率特性的中频段，以改善系统的动态性能。

二、实验内容一：自己选定一个具体的控制对象(Plant)，分别用P 、PD 、PI 、PID 几种控制方式设计校正网络（Compensators ），手工调试P 、I 、D 各个参数，使闭环系统的阶跃响应（Response to Step Command ）尽可能地好（稳定性、快速性、准确性）控制对象(Plant)的数学模型： ()()??? ? ??++=115.01 )(S S S G 2 322++=S S 实验1中，我使用MATLAB 软件中的Simulink 调试和编程调试相结合的方法不加任何串联校正的系统阶跃响应：（1） P 控制方式： P 控制方式只是在前向通道上加上比例环节，相当于增大了系统的开环增益，减小了系统的稳态误差，减小了系统的阻尼，从而增大了系统的超调量和振荡性。 P 控制方式的系统结构图如下：取Kp=1至15，步长为1，进行循环测试系统，将不同Kp 下的阶跃响应曲线绘制在一张坐标图下：

模糊PID控制

模糊P I D控制器在伺服系统中的应用造车网2008年09月09日 0 引言传统PID（比例、积分和微分）控制原理简单，使用方便，适应性强，可以广泛应用于各种工业过程控制领域。但是PID控制器也存在参数调节需要一定过程，最优参数选取比较麻烦的缺点，对一些系统参数会变化的过程，PID控制就无法有效地对系统进行在线控制。不能满足在系统参数发生变化时PID参数随之发生相应改变的要求，严重的影响了控制效果。本文介绍了基于车载伺服系统的模糊PID控制，它不需要被控对象的数学模型，能够在线实时修正参数，使控制器适应被控对象参数的任何变化。并对其进行仿真验证，结果表明模糊PID控制使系统的性能得到了明显的改善。 1 传统PID与模糊PID的比较 PID控制 PID控制器问世至今凭借其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点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、得不到精确的数学模型时，采用PID控制技术最为方便。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心。它是根据被控过程的特性来确定PID控制器的参数大小。PID控制原理简单、易于实现、适用面广，但PID控制器的参数整定是一件非常令人头痛的事。合理的PID参数通常由经验丰富的技术人员在线整定。在控制对象有很大的时变性和非线性的情况下，一组整定好的PID参数远远不能满足系统的要求。为此，引入了一套模糊PID控制算法。

模糊PID控制所谓模糊PID控制器,即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对PID控制的比例、积分、微分系数进行实时优化,以达到较为理想的控制效果。模糊PID控制共包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等几个重要组成部分。计算机根据所设定的输入和反馈信号，计算实际位置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化ec，并根据模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制器的比例、积分、微分系数。 2 车载天线伺服系统车载天线伺服系统的组成车载天线系统由两部分组成：户外设备和户内设备。户外设备主要是天线伺服跟踪系统（包括平台、平台伺服跟踪系统、惯性传感器、GPS、卫星天线等）;户内设备主要是控制器（包括各传感器接口、数据采集、控制器、卫星接收机等）和主控计算机，两者之间采用电缆连接，具有稳定跟踪和接收卫星信号的两大功能。本系统采用德州仪器推出的TMS320LF2407A，与传统的单片机相比有巨大的优势。只需外加较少的硬件即可实现电机控制系统。本系统采用增量式光电码盘反馈转子的速度和磁极位置及初始位置。车载天线伺服系统模糊PID控制框图如图1所示。图1 车载天线伺服系统模糊PID控制框图车载天线伺服系统数学模型的确定若电机的负载为常数且只输出电机转动的角速度，则得到直流伺服电机的传递函数如式（1）。

PID控制器设计及仿真

PID控制器设计及仿真摘要温度控制对于工业生产以及科学研究都具有重要意义，当前我国科技技术还不太成熟，温度控制领域大多使用传统控制方式为主，该方法精度不高，容易造成系统不稳定，给控制系统带来了很大的困难，正是在上述背景下，本文以电锅炉为研究对象详细分析其温度控制策略。本文主要针对电锅炉控制方法进行了深入探讨，首先分析的是PID控制策略，该方法的主要运行机理是温度偏差环节通过比例、积分和微分等线性组合从而构成控制部分，完成对电锅炉的控制；由于经典PID控制存在的缺陷，本文加入了补偿器，如Simith预估器、Ziegler-Nichols，并通过Simulink进行了仿真分析，实验结果表示虽然超调量和调节时间下降，但是系统却出现了问题误差，因此本文深入分析了模糊控制理论，将PID控制方法与模糊控制相结合。设计的模糊PID控制策略，通过Simulink的 Fuzzy逻辑箱完成了对电锅炉的稳定控制，仿真实验结果表明，实验的模糊PID控制策略能够较好的达到电锅炉的稳定控制目标，因此是一种较为理想的控制策略。关键词：电锅炉；温度控制；模糊PID控制；仿真分析

Abstract Temperature control is of great significance for industrial production and scientific research, the current our country science and technology also is not very mature, the temperature control field are mostly using traditional control method is given priority to, the accuracy is not high, easy to cause system instability, the control system to bring very great difficulty, it is under the above background, taking electric boiler as the research object, this paper has a detailed analysis of the temperature control strategy. This paper focuses on the electric boiler control method has carried on the deep discussion and the analysis of the first is the PID control strategy, the main operating mechanism of the method is of temperature deviation by proportion, integral and differential linear combination so as to constitute control part, complete control of the electric boiler; Due to the flaws of the classical PID control, this paper joined the compensator, such as Simith forecast, Ziegler Nichols, and through the Simulink simulation analysis, the results said although the overshoot and adjustment time decreased, but the system has a problem of error, so this paper deeply analyzes the fuzzy control theory, the method of PID control is combined with fuzzy control. Design of Fuzzy PID control strategy, by the Fuzzy logic of the Simulink box has completed the stability control of electric boiler, the simulation results show that the experiment of the Fuzzy PID control strategy can better achieve the stability of the electric boiler control, thus is an ideal control strategy. Key words：The electric boiler; Temperature control; Fuzzy PID control; The simulation analysis

模糊PID控制

模糊PID控制器在伺服系统中的应用造车网2008年09月09日 0 引言传统PID（比例、积分和微分）控制原理简单，使用方便，适应性强，可以广泛应用于各种工业过程控制领域。但是PID控制器也存在参数调节需要一定过程，最优参数选取比较麻烦的缺点，对一些系统参数会变化的过程，PID控制就无法有效地对系统进行在线控制。不能满足在系统参数发生变化时PID参数随之发生相应改变的要求，严重的影响了控制效果。本文介绍了基于车载伺服系统的模糊PID控制，它不需要被控对象的数学模型，能够在线实时修正参数，使控制器适应被控对象参数的任何变化。并对其进行仿真验证，结果表明模糊PID控制使系统的性能得到了明显的改善。 1 传统PID与模糊PID的比较 1.1 PID控制 PID控制器问世至今凭借其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便等优点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、得不到精确的数学模型时，采用PID控制技术最为方便。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心。它是根据被控过程的特性来确定PID控制器的参数大小。PID 控制原理简单、易于实现、适用面广，但PID控制器的参数整定是一件非常令人头痛的事。合理的PID参数通常由经验丰富的技术人员在线整定。在控制对象有很大的时变性和非线性的情况下，一组整定好的PID参数远远不能满足系统的要求。为此，引入了一套模糊PID控制算法。 1.2 模糊PID控制

所谓模糊PID控制器,即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对PID控制的比例、积分、微分系数进行实时优化,以达到较为理想的控制效果。模糊PID 控制共包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等几个重要组成部分。计算机根据所设定的输入和反馈信号，计算实际位置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化ec，并根据模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制器的比例、积分、微分系数。 2 车载天线伺服系统 2.1 车载天线伺服系统的组成车载天线系统由两部分组成：户外设备和户内设备。户外设备主要是天线伺服跟踪系统（包括平台、平台伺服跟踪系统、惯性传感器、GPS、卫星天线等）;户内设备主要是控制器（包括各传感器接口、数据采集、控制器、卫星接收机等）和主控计算机，两者之间采用电缆连接，具有稳定跟踪和接收卫星信号的两大功能。本系统采用德州仪器推出的TMS320LF2407A，与传统的单片机相比有巨大的优势。只需外加较少的硬件即可实现电机控制系统。本系统采用增量式光电码盘反馈转子的速度和磁极位置及初始位置。车载天线伺服系统模糊PID控制框图如图1所示。图1 车载天线伺服系统模糊PID控制框图 2.2 车载天线伺服系统数学模型的确定若电机的负载为常数且只输出电机转动的角速度，则得到直流伺服电机的传