基于ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ的ＰＩＤ工具箱設計

[摘要]隨著計算機技術的迅速發展和廣泛應用。近20年來，國內外出現了許多專門用于計算機仿真的語言及軟件工具，如CSMP， ACSL， SIMNON， MATLAB /SIMULINK， CSMP_C等，而MATLAB/SIMULINK的出現，不僅使數值分析與應用進入了一個嶄新的階段，而且也為系統仿真技術提供了更實用、更方便的解決辦法。本論文就是以目前仿真領域最權威、最實用的計算機仿真工具——MATLAB / SIMULINK為基礎，介紹所制作的PID工具箱的使用與制作方法。

[關鍵詞]MATLAB語言 PID控制器 工具箱 設計

MATLAB是一個功能十分強大，使用非常簡便的工程計算語言，以矩陣運算為基礎，把計算、可視化和程序設計融合到一個交互的環境。在此環境中，利用其強大的數值計算與圖形功能，可高效求解各種復雜的工程問題及實現計算結果的可視化。

一、MATLAB概述

MATALAB是集科學計算、結果可視化和編程于一身，能夠方便地進行科學計算和大量工程計算的數學軟件。目前，它已成為世界上應用最為廣泛的工程計算軟件之一。MATALAB的最初版本是由CleveMole：博士用FORTRAN語言開發的矩陣分析軟件，MATALAB是矩陣實驗室， （MatrixLaboratory）的縮寫，它是一種以矩陣計算為基礎的交互式程序語言，最早用來作為LINPACK（線性代數軟件包）和EISPACK（基于特征值計算的軟件包）矩陣軟件__［具包的接口。在80年代初期，由CleveMole：和JohnLittle采用C改寫了MATALAB的內核。不久，他們成立了Mathworks軟件開發公司，并于1984年將MATALAB正式推向市場。1992年初推出了應用于Windows操作系統的MATALAB4.x版本，1998年推出5.2版本，1999年推出MATLABS.3版本，2000年為MATLAB6.O版本，現在最新的為MATLAB6.5版本。

1.MATLAB的主要特點

MATLAB的基本單位為矩陣，其表達式與數學、工程計算中常用的形式類似。并且矩陣的行和列無需定義，可隨時添加和修改；

MATLAB語言以解釋方式工作，對每條語句進行解釋后即運行，鍵入算式即得結果，無需編譯，對錯誤可立即作出反映，大大減少了編程和調試的工作；具有非常友好的人機界面。

MATLAB語言規則與人們長期以來使用的在演算紙上進行演算的書寫習慣十分相似，易學易讀適于交流；

具有強大的作圖和數據可視化功能。可以把數據以多種形式加以表現，非常簡單、直觀、方便；具有極強的可擴展性。

MATLAB軟件包括MATLAB主程序和許多日益增多的工具箱，工具箱實際就是用MATLAB基本語句編寫的各種子程序集，用于解決某一方面的專門問題或實現某一類的新算法。MATLAB還提供了與其他應用語言的接口，以實現數據的共享和傳遞。

2.MATLAB的基本組成

MATLAB主要由M人TLAB主程序、SIMULINK動態系統仿真和MATLAB工具箱三大部分組成。其中MATLAB主程序包括MATLAB語言、工作環境、句柄圖形、數學函數庫和應用程序接口五個部分：SIMULINK是用于動態系統仿真的交互式系統，允許用戶在屏幕上繪制框圖來模擬一個系統，并能動態地控制該系統，目前的sI州［-ULINK可以處理線性、非線性、連續、離散、多變量及多系統；工具箱實際就是用MATLAB的基本語句編寫的各種子程序集和函數庫，用于解決某一方面的特定問題或實現某一類的新算法，它是開放性的，可以應用也可以根據自己的需要進行擴展。MATLAB工具箱大體可分為功能性的工具箱和學科性的工具箱兩類。功能性的工具箱主要用于擴展NIATLAB的符號計算功能、圖形建模功能、文字處理功能和與硬件的實時交互過程，如符號計算工具箱等：學科性的工具箱則有較強的專業性，用于解決特定的問題，如信號處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）、積分I （Integral）、微分D （Differentialor Derivative）控制的簡稱，它是一種負反饋控制。PID控制器是最早發展起來的控制策略之一，在生產過程的發展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。因為這種控制具有簡單的控制結構，在實際應用中又較易于整定，所以它在工業過程控制中有著最規范的應用。PID控制器結構簡單，各參數物理意義明確，控制參數相互獨立，參數的選定比較簡單，適用面廣，在工程上易于實現；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象一“一階滯后+純滯后”與“二階滯后+純滯后”的控制對象，PID控制器是一種最優控制。PID調節規律是連續系統動態品質校正的一種有效方法，它的參數整定方式簡便，結構改變靈活（PI，PD，…）。長期以來被廣大科學技術人員及現場操作人員所采用，并積累了大量的經驗。特別是在化工過程控制中，由于控制對象的精確數學模型難以建立，系統參數又經常發生變化常采用PID控制器，并根據經驗進行在線整定。隨著計算機技術的發展，特別是DCS的廣泛應用，PID控制已能用微機方便地實現。由于計算機軟件的靈活性，PID算法可以得到改進而更加完善，并可與其它控制規律結合在一起，產生更好的控制效果。即使在控制理論日新月異發展的今天，在工業過程控制中，90%以上的控制器仍然是PID控制器。

從技術應用角度看，PID控制是自動控制中產生最早的一種控制方法，至少可追逆到1000年前我國北宋年間發明的閉環調節系統—水運儀象臺；從理論角度看，是20世紀40年代開始的調節原理的一種典型代表。PID控制在實際控制工程中應用最廣。盡管PID控制己上了經典教科書，然而由于PID控制的簡單與應用效果，人們仍在不斷研究PID控制器各種設計方法（包括各種自適應調參、最優化方法）和未來潛力。

而且采用PID控制有一下幾個方面的優點。

1.原理簡單，使用方便。

2.適應性強，可以廣泛應用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各種生產部門。按PID控制進行工作的自動調節器早己商品化。在具體實現上它們經歷了機械式、液動式、氣動式、電子式等發展階段，但始終沒有脫離PID控制的范疇。即使目前最新式的過程控制計算機，其最基本的控制功能也仍然是PID控制。

3.魯棒性強，即其控制品質對被控對象特性的變化不大敏感。

三、PID工具箱簡介及制作方法分析

工業過程對象（具有時間延遲）的PID控制器參數整定。PID控制器是最早發展起來的控制策略之一，因為這種控制具有簡單的控制結構，在實際應用中又較易于整定，所以它在工業過程控制中有著最規范的應用。課題根據《PI andPID Controller Tuning Rules》一書，對20種受控模型和26種結構的控制器歸類實現，采用matlab的guide工具設計成能演示的工具箱。其環節包括高階模型輸入，模型降階（主要采用尋優算法），控制器選型及參數計算，閉環仿真等。PI和PID控制器是六十年來控制工程實踐的核心內容。PI和PID控制器能滿足絕大多數的實際工業過程，這使它在工業應用方面得到了廣泛的認可。

但是由于整定規則在控制類文獻中非常地分散，符號應用也不統一，限制了整定規則方法在實際工業中的運用。因此需要有一個工具箱來解決這個問題。本工具箱的目的是把PI和PID控制器的整定規則組織起來，采用統一的標號，制作了能直接演示的GUI （Graphical User Interfaces）界面。

PID工具箱采用MATLAB的圖形用戶界面設計工具GUIDE來進行圖形界面設計，它的文件類型有兩種，即m文件和fig文件，另外，閉環仿真應用了Simulink模型圖進行仿真。

每個fig文件有一個對應的m文件，fig文件包含了界面控件元素的信息，由系統自動管理，對應的m文件包含界面控件元素的回調函數，由用戶自行編寫（其中還有GUIDE自動生成的代碼）。除了與用戶界面有關的m文件和fig文件外，還需要自編一些功能函數。幫助說明信息需編寫Html文檔。

優化設計是指通過理論和優化方法，計算機從許多的可行方案中，按目標函數的要求自動尋出最優的方案后。對設計出來的系統在各種信號和擾動作用下進行響應測試若系統性能指標不能令人滿意，則再選定控制方案，進行參數優化，直到獲得滿意的性能指標。

四、總結與展望

1.PID控制技術及工具箱總結

PID控制器能從各個方面提高系統的性能，包括提高穩定性及響應速度，減少超調及穩態誤差等方面，而且還可以根據系統和指標要求靈活地選擇P， PI， PD，PID各種控制方式。PID控制器發展起來得最早，在生產過程的發展進程中，PID控制歷史最久、生命力最強。因為這種控制具有簡單的控制結構，在應用中易于整定，所以在工業控制系統中有著最規范和廣泛的應用。

PID控制器應用廣泛，形式多種多樣，發展悠久，針對PID控制器及其各種結構形式有許多專家學者提出了多種多樣的實用的整定方法，在《PI and PIDController Tuning Rules》一書中提供了相當多的整定規則，本論文介紹的工具箱就是以它為藍本的，工具箱的設計采用圖形用戶界面工具（（Graphical UserInterfaces， GUI），大大提高了工作效率，所設計的工具箱還可以進一步改進和擴充。

2.PID控制技術前景及其工具箱設計展望

目前，PID控制在工業生產中廣泛應用，成效顯著，但在實踐中仍需不斷完善，以優化控制方式，滿足不同條件下的過程控制。同時，隨著先進控制系統的迅猛發展，PID控制與其它控制系統相互并存，優勢互補，是必然趨勢，這就要求工程技術人員拓寬知識面，提高學習能力，以適應新技術的挑戰。

由于PID控制器應用廣泛，整定方法多種多樣，整定規則越來越龐雜，PID工具箱的設計必將會得到進一步發展。MATLAB為減輕制作人員工作負擔，提供了一個交互式制作用戶界面的工具，從MATLAB自身而言，界面設計工具隨版本變化很大，隨著版本的不斷升級，PID工具箱的制作會越來越方便與快捷。

參考文獻：

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［3］張葛祥，李娜.MATLAB仿真技術與應用［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［4］薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用［M］.北京：清華大學出版社，2002.

（作者單位：浙江理工大學信息與電子學院）