[摘要]隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。近20年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了許多專門用于計(jì)算機(jī)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(xiàn)，不僅使數(shù)值分析與應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段，而且也為系統(tǒng)仿真技術(shù)提供了更實(shí)用、更方便的解決辦法。本論文就是以目前仿真領(lǐng)域最權(quán)威、最實(shí)用的計(jì)算機(jī)仿真工具——MATLAB / SIMULINK為基礎(chǔ)，介紹所制作的PID工具箱的使用與制作方法。

[關(guān)鍵詞]MATLAB語言 PID控制器 工具箱 設(shè)計(jì)

MATLAB是一個(gè)功能十分強(qiáng)大，使用非常簡便的工程計(jì)算語言，以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)，把計(jì)算、可視化和程序設(shè)計(jì)融合到一個(gè)交互的環(huán)境。在此環(huán)境中，利用其強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算與圖形功能，可高效求解各種復(fù)雜的工程問題及實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的可視化。

一、MATLAB概述

MATALAB是集科學(xué)計(jì)算、結(jié)果可視化和編程于一身，能夠方便地進(jìn)行科學(xué)計(jì)算和大量工程計(jì)算的數(shù)學(xué)軟件。目前，它已成為世界上應(yīng)用最為廣泛的工程計(jì)算軟件之一。MATALAB的最初版本是由CleveMole：博士用FORTRAN語言開發(fā)的矩陣分析軟件，MATALAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室， （MatrixLaboratory）的縮寫，它是一種以矩陣計(jì)算為基礎(chǔ)的交互式程序語言，最早用來作為LINPACK（線性代數(shù)軟件包）和EISPACK（基于特征值計(jì)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(nèi)核。不久，他們成立了Mathworks軟件開發(fā)公司，并于1984年將MATALAB正式推向市場。1992年初推出了應(yīng)用于Windows操作系統(tǒng)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(xiàn)在最新的為MATLAB6.5版本。

1.MATLAB的主要特點(diǎn)

MATLAB的基本單位為矩陣，其表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程計(jì)算中常用的形式類似。并且矩陣的行和列無需定義，可隨時(shí)添加和修改；

MATLAB語言以解釋方式工作，對每條語句進(jìn)行解釋后即運(yùn)行，鍵入算式即得結(jié)果，無需編譯，對錯(cuò)誤可立即作出反映，大大減少了編程和調(diào)試的工作；具有非常友好的人機(jī)界面。

MATLAB語言規(guī)則與人們長期以來使用的在演算紙上進(jìn)行演算的書寫習(xí)慣十分相似，易學(xué)易讀適于交流；

具有強(qiáng)大的作圖和數(shù)據(jù)可視化功能。可以把數(shù)據(jù)以多種形式加以表現(xiàn)，非常簡單、直觀、方便；具有極強(qiáng)的可擴(kuò)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(shí)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?qū)崿F(xiàn)某一類的新算法。MATLAB還提供了與其他應(yīng)用語言的接口，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)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(huán)境、句柄圖形、數(shù)學(xué)函數(shù)庫和應(yīng)用程序接口五個(gè)部分：SIMULINK是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真的交互式系統(tǒng)，允許用戶在屏幕上繪制框圖來模擬一個(gè)系統(tǒng)，并能動(dòng)態(tài)地控制該系統(tǒng)，目前的sI州［-ULINK可以處理線性、非線性、連續(xù)、離散、多變量及多系統(tǒng)；工具箱實(shí)際就是用MATLAB的基本語句編寫的各種子程序集和函數(shù)庫，用于解決某一方面的特定問題或?qū)崿F(xiàn)某一類的新算法，它是開放性的，可以應(yīng)用也可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行擴(kuò)展。MATLAB工具箱大體可分為功能性的工具箱和學(xué)科性的工具箱兩類。功能性的工具箱主要用于擴(kuò)展NIATLAB的符號計(jì)算功能、圖形建模功能、文字處理功能和與硬件的實(shí)時(shí)交互過程，如符號計(jì)算工具箱等：學(xué)科性的工具箱則有較強(qiáng)的專業(yè)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(fù)反饋控制。PID控制器是最早發(fā)展起來的控制策略之一，在生產(chǎn)過程的發(fā)展歷程中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。因?yàn)檫@種控制具有簡單的控制結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中又較易于整定，所以它在工業(yè)過程控制中有著最規(guī)范的應(yīng)用。PID控制器結(jié)構(gòu)簡單，各參數(shù)物理意義明確，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡單，適用面廣，在工程上易于實(shí)現(xiàn)；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(yōu)控制。PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活（PI，PD，…）。長期以來被廣大科學(xué)技術(shù)人員及現(xiàn)場操作人員所采用，并積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。特別是在化工過程控制中，由于控制對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立，系統(tǒng)參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化常采用PID控制器，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線整定。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是DCS的廣泛應(yīng)用，PID控制已能用微機(jī)方便地實(shí)現(xiàn)。由于計(jì)算機(jī)軟件的靈活性，PID算法可以得到改進(jìn)而更加完善，并可與其它控制規(guī)律結(jié)合在一起，產(chǎn)生更好的控制效果。即使在控制理論日新月異發(fā)展的今天，在工業(yè)過程控制中，90%以上的控制器仍然是PID控制器。

從技術(shù)應(yīng)用角度看，PID控制是自動(dòng)控制中產(chǎn)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(fā)明的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)—水運(yùn)儀象臺(tái)；從理論角度看，是20世紀(jì)40年代開始的調(diào)節(jié)原理的一種典型代表。PID控制在實(shí)際控制工程中應(yīng)用最廣。盡管PID控制己上了經(jīng)典教科書，然而由于PID控制的簡單與應(yīng)用效果，人們?nèi)栽诓粩嘌芯縋ID控制器各種設(shè)計(jì)方法（包括各種自適應(yīng)調(diào)參、最優(yōu)化方法）和未來潛力。

而且采用PID控制有一下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)。

1.原理簡單，使用方便。

2.適應(yīng)性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各種生產(chǎn)部門。按PID控制進(jìn)行工作的自動(dòng)調(diào)節(jié)器早己商品化。在具體實(shí)現(xiàn)上它們經(jīng)歷了機(jī)械式、液動(dòng)式、氣動(dòng)式、電子式等發(fā)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(jì)算機(jī)，其最基本的控制功能也仍然是PID控制。

3.魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)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(yè)過程對象（具有時(shí)間延遲）的PID控制器參數(shù)整定。PID控制器是最早發(fā)展起來的控制策略之一，因?yàn)檫@種控制具有簡單的控制結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中又較易于整定，所以它在工業(yè)過程控制中有著最規(guī)范的應(yīng)用。課題根據(jù)《PI andPID Controller Tuning Rules》一書，對20種受控模型和26種結(jié)構(gòu)的控制器歸類實(shí)現(xiàn)，采用matlab的guide工具設(shè)計(jì)成能演示的工具箱。其環(huán)節(jié)包括高階模型輸入，模型降階（主要采用尋優(yōu)算法），控制器選型及參數(shù)計(jì)算，閉環(huán)仿真等。PI和PID控制器是六十年來控制工程實(shí)踐的核心內(nèi)容。PI和PID控制器能滿足絕大多數(shù)的實(shí)際工業(yè)過程，這使它在工業(yè)應(yīng)用方面得到了廣泛的認(rèn)可。

但是由于整定規(guī)則在控制類文獻(xiàn)中非常地分散，符號應(yīng)用也不統(tǒng)一，限制了整定規(guī)則方法在實(shí)際工業(yè)中的運(yùn)用。因此需要有一個(gè)工具箱來解決這個(gè)問題。本工具箱的目的是把PI和PID控制器的整定規(guī)則組織起來，采用統(tǒng)一的標(biāo)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(shè)計(jì)工具GUIDE來進(jìn)行圖形界面設(shè)計(jì)，它的文件類型有兩種，即m文件和fig文件，另外，閉環(huán)仿真應(yīng)用了Simulink模型圖進(jìn)行仿真。

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

優(yōu)化設(shè)計(jì)是指通過理論和優(yōu)化方法，計(jì)算機(jī)從許多的可行方案中，按目標(biāo)函數(shù)的要求自動(dòng)尋出最優(yōu)的方案后。對設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)在各種信號和擾動(dòng)作用下進(jìn)行響應(yīng)測試若系統(tǒng)性能指標(biāo)不能令人滿意，則再選定控制方案，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，直到獲得滿意的性能指標(biāo)。

四、總結(jié)與展望

1.PID控制技術(shù)及工具箱總結(jié)

PID控制器能從各個(gè)方面提高系統(tǒng)的性能，包括提高穩(wěn)定性及響應(yīng)速度，減少超調(diào)及穩(wěn)態(tài)誤差等方面，而且還可以根據(jù)系統(tǒng)和指標(biāo)要求靈活地選擇P， PI， PD，PID各種控制方式。PID控制器發(fā)展起來得最早，在生產(chǎn)過程的發(fā)展進(jìn)程中，PID控制歷史最久、生命力最強(qiáng)。因?yàn)檫@種控制具有簡單的控制結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用中易于整定，所以在工業(yè)控制系統(tǒng)中有著最規(guī)范和廣泛的應(yīng)用。

PID控制器應(yīng)用廣泛，形式多種多樣，發(fā)展悠久，針對PID控制器及其各種結(jié)構(gòu)形式有許多專家學(xué)者提出了多種多樣的實(shí)用的整定方法，在《PI and PIDController Tuning Rules》一書中提供了相當(dāng)多的整定規(guī)則，本論文介紹的工具箱就是以它為藍(lán)本的，工具箱的設(shè)計(jì)采用圖形用戶界面工具（（Graphical UserInterfaces， GUI），大大提高了工作效率，所設(shè)計(jì)的工具箱還可以進(jìn)一步改進(jìn)和擴(kuò)充。

2.PID控制技術(shù)前景及其工具箱設(shè)計(jì)展望

目前，PID控制在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，成效顯著，但在實(shí)踐中仍需不斷完善，以優(yōu)化控制方式，滿足不同條件下的過程控制。同時(shí)，隨著先進(jìn)控制系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，PID控制與其它控制系統(tǒng)相互并存，優(yōu)勢互補(bǔ)，是必然趨勢，這就要求工程技術(shù)人員拓寬知識(shí)面，提高學(xué)習(xí)能力，以適應(yīng)新技術(shù)的挑戰(zhàn)。

由于PID控制器應(yīng)用廣泛，整定方法多種多樣，整定規(guī)則越來越龐雜，PID工具箱的設(shè)計(jì)必將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。MATLAB為減輕制作人員工作負(fù)擔(dān)，提供了一個(gè)交互式制作用戶界面的工具，從MATLAB自身而言，界面設(shè)計(jì)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(huì)越來越方便與快捷。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊巨慶，黃健，段麗華.PID控制技術(shù)與應(yīng)用［J］.哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2004.

［2］劉金餛.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［3］張葛祥，李娜.MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.

［4］薛定宇，陳陽泉.基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2002.

（作者單位：浙江理工大學(xué)信息與電子學(xué)院）