一种新型非线性PID的设计及其参数整定的研究

论文摘要

由于PID控制器具有容易实现、适应性强、结构简单、不完全依赖于被控模型、鲁棒性强等特点,因而被广泛的应用于各种工业现场。PID作为一种经典的控制方法,虽然已经出现多种先进控制理论,在各种工业控制技术中仍然占据主导地位。在实际的应用中能否得到好的闭环控制效果,是衡量PID控制器参数整定优劣与否的标准。因此,PID控制器的设计和参数整定问题的研究具有很大的实际意义。在实际的工业现场中,PID控制器的参数整定大多是依赖于控制工程师的经验,因而很难到达最优的控制效果。根据调查在日本、英国和加拿大的工业实践中,超过90%的控制回路是PID类型的,其中30%是手动操作的,20%是根据现场的经验进行参数整定的,尤其在被控对象时变或非线性的时候,PID控制器的参数不能及时得到调整,仅有很小一部分控制回路工作在良好的整定环境下。针对以上问题,本文首先阐述了PID控制器的算法特点、各个参数对控制性能的影响,并对各种典型的PID参数自整定方法进行大量的研究,分析各种整定方法的利弊。重点是提出一种新型的非线性PID控制器,利用先进控制算法遗传算法和粒子群算法对此控制器定参,并在Matlab上仿真验证,给出仿真实验结果,具有一定的实用价值,并在实际的项目中对新型的非线性PID控制器和参数整定方法进行验证,得到满意的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 PID控制器简介
• 1.2.1 PID控制的理论基础
• 1.2.2 PID控制器各参数的作用
• 1.2.3 PID控制器的发展
• 1.3 本论文的结构与主要任务
• 第2章 非线性PID控制器的设计
• 2.1 两种主要控制算法
• 2.1.1 位置式PID控制算法
• 2.1.2 增量式PID控制算法
• 2.2 非线性PID控制器设计的基础
• 2.2.1 比例带死区PID中比例因子的改良研究
• 2.2.2 对于非线性PID控制器比例因子设计的启示
• 2.2.3 积分分离PID中积分因子的改良研究
• 2.2.4 变速积分PID中积分因子的改良研究
• 2.2.5 对于非线性PID控制器积分因子设计的启示
• 2.2.6 不完全微分PID中微分因子的改良研究
• 2.2.7 微分先行PID中微分因子的改良研究
• 2.2.8 对于非线性PID控制器微分因子设计的启示
• 2.3 一种新型非线性PID控制器设计
• 2.3.1 非线性比例控制研究
• 2.3.2 非线性积分控制研究
• 2.3.3 非线性微分控制研究
• 2.3.4 新型非线性PID控制器的模型
• 2.4 小结
• 第3章 PID控制器参数自整定研究
• 3.1 参数整定的基本方法
• 3.2 一阶加纯滞后模型辨识方法
• 3.3 最小二乘辨识法
• 3.4 继电反馈控制方法
• 3.5 小结
• 第4章 基于遗传算法的非线性PID控制器的参数整定
• 4.1 遗传算法简介
• 4.2 利用遗传算法整定非线性PID参数
• 4.2.1 用遗传算法实现非线性PID参数整定流程
• 4.2.2 被控制对象的设定
• 4.2.3 基于遗传算法参数整定过程中参数初始化
• 4.3 建立仿真系统及基于遗传算法的非线性PID控制器参数整定的仿真结果
• 4.3.1 建立仿真系统
• 4.3.2 仿真结果
• 4.4 小结
• 第5章 基于粒子群算法的非线性PID控制器的参数整定
• 5.1 粒子群算法的简介
• 5.2 利用带权重的克隆粒子群算法对非线性PID控制参数进行定参
• 5.2.1 提出带权重的克隆粒子群算法
• 5.2.2 带权重的克隆粒子群算法的时间、空间复杂度分析
• 5.2.3 基于带权重的克隆粒子群算法参数整定过程中参数初始化
• 5.3 建立仿真系统及基于带权重的克隆POS非线性PID控制器参数整定的仿真结果
• 5.3.1 建立仿真系统
• 5.3.2 仿真结果
• 5.4 三个方法的仿真结果对比
• 5.5 小结
• 第6章 实际验证
• 6.1 非线性PID应用于温度控制
• 6.1.1 系统概述
• 6.1.2 监控界面
• 6.1.3 非线性PID控制器的控制效果
• 6.2 非线性PID控制器在水压试验中的浮动量管法中的应用
• 6.2.1 浮动量管法的操作流程
• 6.2.2 试验系统
• 6.2.3 参数整定阶段
• 6.2.4 实验数据
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢