基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ的ＰＩＤ工具箱设计

[摘要]随着计算机技术的迅速发展和广泛应用。近20年来，国内外出现了许多专门用于计算机仿真的语言及软件工具，如CSMP， ACSL， SIMNON， MATLAB /SIMULINK， CSMP_C等，而MATLAB/SIMULINK的出现，不仅使数值分析与应用进入了一个崭新的阶段，而且也为系统仿真技术提供了更实用、更方便的解决办法。本论文就是以目前仿真领域最权威、最实用的计算机仿真工具——MATLAB / SIMULINK为基础，介绍所制作的PID工具箱的使用与制作方法。

[关键词]MATLAB语言 PID控制器 工具箱 设计

MATLAB是一个功能十分强大，使用非常简便的工程计算语言，以矩阵运算为基础，把计算、可视化和程序设计融合到一个交互的环境。在此环境中，利用其强大的数值计算与图形功能，可高效求解各种复杂的工程问题及实现计算结果的可视化。

一、MATLAB概述

MATALAB是集科学计算、结果可视化和编程于一身，能够方便地进行科学计算和大量工程计算的数学软件。目前，它已成为世界上应用最为广泛的工程计算软件之一。MATALAB的最初版本是由CleveMole：博士用FORTRAN语言开发的矩阵分析软件，MATALAB是矩阵实验室， （MatrixLaboratory）的缩写，它是一种以矩阵计算为基础的交互式程序语言，最早用来作为LINPACK（线性代数软件包）和EISPACK（基于特征值计算的软件包）矩阵软件__［具包的接口。在80年代初期，由CleveMole：和JohnLittle采用C改写了MATALAB的内核。不久，他们成立了Mathworks软件开发公司，并于1984年将MATALAB正式推向市场。1992年初推出了应用于Windows操作系统的MATALAB4.x版本，1998年推出5.2版本，1999年推出MATLABS.3版本，2000年为MATLAB6.O版本，现在最新的为MATLAB6.5版本。

1.MATLAB的主要特点

MATLAB的基本单位为矩阵，其表达式与数学、工程计算中常用的形式类似。并且矩阵的行和列无需定义，可随时添加和修改；

MATLAB语言以解释方式工作，对每条语句进行解释后即运行，键入算式即得结果，无需编译，对错误可立即作出反映，大大减少了编程和调试的工作；具有非常友好的人机界面。

MATLAB语言规则与人们长期以来使用的在演算纸上进行演算的书写习惯十分相似，易学易读适于交流；

具有强大的作图和数据可视化功能。可以把数据以多种形式加以表现，非常简单、直观、方便；具有极强的可扩展性。

MATLAB软件包括MATLAB主程序和许多日益增多的工具箱，工具箱实际就是用MATLAB基本语句编写的各种子程序集，用于解决某一方面的专门问题或实现某一类的新算法。MATLAB还提供了与其他应用语言的接口，以实现数据的共享和传递。

2.MATLAB的基本组成

MATLAB主要由M人TLAB主程序、SIMULINK动态系统仿真和MATLAB工具箱三大部分组成。其中MATLAB主程序包括MATLAB语言、工作环境、句柄图形、数学函数库和应用程序接口五个部分：SIMULINK是用于动态系统仿真的交互式系统，允许用户在屏幕上绘制框图来模拟一个系统，并能动态地控制该系统，目前的sI州［-ULINK可以处理线性、非线性、连续、离散、多变量及多系统；工具箱实际就是用MATLAB的基本语句编写的各种子程序集和函数库，用于解决某一方面的特定问题或实现某一类的新算法，它是开放性的，可以应用也可以根据自己的需要进行扩展。MATLAB工具箱大体可分为功能性的工具箱和学科性的工具箱两类。功能性的工具箱主要用于扩展NIATLAB的符号计算功能、图形建模功能、文字处理功能和与硬件的实时交互过程，如符号计算工具箱等：学科性的工具箱则有较强的专业性，用于解决特定的问题，如信号处理工具箱和通信工具箱。

二、PID控制器原理

PID控制器，是比例P （Proportional）、积分I （Integral）、微分D （Differentialor Derivative）控制的简称，它是一种负反馈控制。PID控制器是最早发展起来的控制策略之一，在生产过程的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。因为这种控制具有简单的控制结构，在实际应用中又较易于整定，所以它在工业过程控制中有着最规范的应用。PID控制器结构简单，各参数物理意义明确，控制参数相互独立，参数的选定比较简单，适用面广，在工程上易于实现；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象一“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活（PI，PD，…）。长期以来被广大科学技术人员及现场操作人员所采用，并积累了大量的经验。特别是在化工过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统参数又经常发生变化常采用PID控制器，并根据经验进行在线整定。随着计算机技术的发展，特别是DCS的广泛应用，PID控制已能用微机方便地实现。由于计算机软件的灵活性，PID算法可以得到改进而更加完善，并可与其它控制规律结合在一起，产生更好的控制效果。即使在控制理论日新月异发展的今天，在工业过程控制中，90%以上的控制器仍然是PID控制器。

从技术应用角度看，PID控制是自动控制中产生最早的一种控制方法，至少可追逆到1000年前我国北宋年间发明的闭环调节系统—水运仪象台；从理论角度看，是20世纪40年代开始的调节原理的一种典型代表。PID控制在实际控制工程中应用最广。尽管PID控制己上了经典教科书，然而由于PID控制的简单与应用效果，人们仍在不断研究PID控制器各种设计方法（包括各种自适应调参、最优化方法）和未来潜力。

而且采用PID控制有一下几个方面的优点。

1.原理简单，使用方便。

2.适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。按PID控制进行工作的自动调节器早己商品化。在具体实现上它们经历了机械式、液动式、气动式、电子式等发展阶段，但始终没有脱离PID控制的范畴。即使目前最新式的过程控制计算机，其最基本的控制功能也仍然是PID控制。

3.鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。

三、PID工具箱简介及制作方法分析

工业过程对象（具有时间延迟）的PID控制器参数整定。PID控制器是最早发展起来的控制策略之一，因为这种控制具有简单的控制结构，在实际应用中又较易于整定，所以它在工业过程控制中有着最规范的应用。课题根据《PI andPID Controller Tuning Rules》一书，对20种受控模型和26种结构的控制器归类实现，采用matlab的guide工具设计成能演示的工具箱。其环节包括高阶模型输入，模型降阶（主要采用寻优算法），控制器选型及参数计算，闭环仿真等。PI和PID控制器是六十年来控制工程实践的核心内容。PI和PID控制器能满足绝大多数的实际工业过程，这使它在工业应用方面得到了广泛的认可。

但是由于整定规则在控制类文献中非常地分散，符号应用也不统一，限制了整定规则方法在实际工业中的运用。因此需要有一个工具箱来解决这个问题。本工具箱的目的是把PI和PID控制器的整定规则组织起来，采用统一的标号，制作了能直接演示的GUI （Graphical User Interfaces）界面。

PID工具箱采用MATLAB的图形用户界面设计工具GUIDE来进行图形界面设计，它的文件类型有两种，即m文件和fig文件，另外，闭环仿真应用了Simulink模型图进行仿真。

每个fig文件有一个对应的m文件，fig文件包含了界面控件元素的信息，由系统自动管理，对应的m文件包含界面控件元素的回调函数，由用户自行编写（其中还有GUIDE自动生成的代码）。除了与用户界面有关的m文件和fig文件外，还需要自编一些功能函数。帮助说明信息需编写Html文档。

优化设计是指通过理论和优化方法，计算机从许多的可行方案中，按目标函数的要求自动寻出最优的方案后。对设计出来的系统在各种信号和扰动作用下进行响应测试若系统性能指标不能令人满意，则再选定控制方案，进行参数优化，直到获得满意的性能指标。

四、总结与展望

1.PID控制技术及工具箱总结

PID控制器能从各个方面提高系统的性能，包括提高稳定性及响应速度，减少超调及稳态误差等方面，而且还可以根据系统和指标要求灵活地选择P， PI， PD，PID各种控制方式。PID控制器发展起来得最早，在生产过程的发展进程中，PID控制历史最久、生命力最强。因为这种控制具有简单的控制结构，在应用中易于整定，所以在工业控制系统中有着最规范和广泛的应用。

PID控制器应用广泛，形式多种多样，发展悠久，针对PID控制器及其各种结构形式有许多专家学者提出了多种多样的实用的整定方法，在《PI and PIDController Tuning Rules》一书中提供了相当多的整定规则，本论文介绍的工具箱就是以它为蓝本的，工具箱的设计采用图形用户界面工具（（Graphical UserInterfaces， GUI），大大提高了工作效率，所设计的工具箱还可以进一步改进和扩充。

2.PID控制技术前景及其工具箱设计展望

目前，PID控制在工业生产中广泛应用，成效显著，但在实践中仍需不断完善，以优化控制方式，满足不同条件下的过程控制。同时，随着先进控制系统的迅猛发展，PID控制与其它控制系统相互并存，优势互补，是必然趋势，这就要求工程技术人员拓宽知识面，提高学习能力，以适应新技术的挑战。

由于PID控制器应用广泛，整定方法多种多样，整定规则越来越庞杂，PID工具箱的设计必将会得到进一步发展。MATLAB为减轻制作人员工作负担，提供了一个交互式制作用户界面的工具，从MATLAB自身而言，界面设计工具随版本变化很大，随着版本的不断升级，PID工具箱的制作会越来越方便与快捷。

参考文献：

［1］杨巨庆，黄健，段丽华.PID控制技术与应用［J］.哈尔滨师范大学自然科学学报，2004.

［2］刘金馄.先进PID控制及其MATLAB仿真［M］.北京：电子工业出版社，2003.

［3］张葛祥，李娜.MATLAB仿真技术与应用［M］.北京：清华大学出版社，2003.

［4］薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用［M］.北京：清华大学出版社，2002.

（作者单位：浙江理工大学信息与电子学院）

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