基于MATLAB的PID控制器参数整定及仿真
第26卷 第4期
2006年 12月
西 安 科 技 大 学 学 报
JOURNAL OF XI AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
V0J．26 No．4
Dec．20o6
文章编号 ：1672-9315(2006)04—0511—04
基于 MATLAB的 PID控制器参数整定及仿真
何东健 ，刘忠超。，范灵燕
(1．西北农林科技大学 信息工程学院；2．西北农林科技大学 机械与电子工程学院；
3．西北农林科技大学 经济管理学院，陕西 杨凌 712100)
摘 要 ：PID控制器结构和算法简单 ，应用广泛，但参数整定方法复杂，通常用凑试法来确定。文中
探讨利用 MATLAB实现 PID参数整定及仿真的方法，并分析 、比较比例控制、比例积分控制和比例
微分控制，探讨 了 。 ， 3个参数对 PID控制规律的影响。
关键词：MATLAB；PID控制器；参数整定；仿真
中图分类号：TP 301 文献标识码；A
Parameter tuning and emulation of PID controller
based on M ATLAB
HE Dong-jian 。LIU Zhong．chao 。FAN Ling-yan
(1．College ofInformation Engineering，Northwest A&F un~vemty；2．College of Mechanical and Electronic Engineering,
Northwest A&F University；3．College ofEconomics and Management．Northwest A&F University，Yangling 712100，Ch／na)
Abstract：The control structure and algorithm of PID is easy and widely applicable。but its setting meth-
ods of parameter are multifarious．Generally utilize guessing and trying to fix．This artical is convenient
to tune PID parameters and emulate through MATLAB experiment。 Analyze and compare the proportion
control。the proportion integral control and the proportion differential contro1． Discuss the influence of
three parameters KP。TI and to the PID control rules．
Key words：MATLAB；PID controller；parameter tuning；emulation
0 引 言
PID控制器又称为 PID调节器，是按偏差的比例 P(ProPortiona1)、积分 I(Integra1)、微分 D(Differential or
Derivative)进行控制的调节器的简称 ，它主要针对控制对象来进行参数调节。PID控制器问世至今 ，控制理
论的发展经历了古典控制理论 、现代控制理论和智能控制理论 3个阶段。在工业控制系统和工程实践中，传
统的 PID控制策略依然被广 泛采用。因为它算法简单、稳定性好 、工作可靠 、鲁棒性好 ，在工程上易于实现 。
但 PID控制器的参数整定方法复杂 ，通常采用 PID归一参数整定法和试凑法来确定 ，费时 、费力 ，且不能得到
最优的整定参数n ]。针对这一问题 ，文中探讨用 MATLAB实现 PID参数整定及仿真的方法及控制参数对
PID控制规律的影响。利用 MATLAB强大的计算仿真能力，解决了利用试凑法来整定参数十分浩繁的工
作 ，可以方便 、快速地找到使 系统达到满意性能指标的参数。
收稿 日期 ：2005一lJ—o7
作者简介：何东健(1957一)，男，教授，陕西西安人，工学博士，主要从事图像分析与识别和多媒体网络应用等研究
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512 西 安 科 技 大 学 学 报 2006卓
1 Pil1)控制器的原理与算法
当被控对象的结构和参数不能被完全掌握，或得不到精确的数学模型时 ，应用 PID控制技术最为方便。
PID控制器就是根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，或者把它们
适当配合形成有 PI，PD和 PID等的复合控制规律 ，使控制系统满足性能指标要求。
控制系统大多都有储能元件，这就使系统对外界的响应有一定的惯性，且能量和信息在传输和转化的过
程中，由于管道、距离等原因也会造成时间上的延迟，所以，按偏差进行比例调节，很难取得理想的控制效果，
因此引入偏差的积分(PI)调节以提高精度，引入偏差的微分(PD)来消除系统惯性的影响。这就形成了按偏
差的 PID调节系统 J。
图 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。调节器的输出作为被控对象的输入控制量。
PID控制算法的模拟表达式为
1 ，l J 一， ．、
(t)=Ke[e(t)+ 【e(t)dt+ ] (1)
相应的传递函数为
1
(3)=J(P(1+ + s) (2)
J ，
式中 为 比例系数； 为积分时
间常数； 为微分时间常数-4 J。
在传统 的 PID调节器 中，确定
， ， 3个参数的值，是对系统进
行控制的关键。因此，控制最主要的
问题是参数整定问题，在 PID参数进
行整定时，若有理论方法确定 PID参
数当然最为理想 ，但实际应用 中，更
多的是通过试凑法来确定 PID的参
图 1 典型 PID控制系统结构图
Fig．1 Diagram of typical PID control system structure
数。而利用 btATLAB强大的仿真工具箱的功能，可以方便地解决参数整定问题 。
2 电子心率起搏器 系统
电子心率起搏器系统可以认为是一个实时监控装置。它是由起搏器和起搏导线构成。起搏器本身是一
个脉冲发生器 ，由微电子电路和紧凑型电池构成。起搏器必须能够识别和感知心脏 自主激动，当起搏器感知
不到任何心脏 自主跳动时，起搏器就会释放一个电脉冲，心脏的肌肉就会收缩一次。起搏器通过一根或两根
起搏导线与心脏相连 ，起搏导线是一根很细的、外带绝缘层的导线，直接放置在右心室或右心房中。通过这
根导线 ，电脉冲被传送至心脏。起搏导线也可以感知心脏的 自主激动，并将这个信息传回给起搏器。
起搏器按照设定的频率每隔一段时间对心脏跳动情况进行监控。监控频率和时间间隔是根据人的正常
心脏跳动频率来设计的。比如一个人的正常心率是 75~／min，那么监控频率则设定为 75~／min，两次监控
的时间间隔为 0．8 8。起搏器工作时，自动时钟装置每隔 0．8 8就发出信号引导监测心脏跳动，若过了 0。8 s
心脏还没有动 ，起搏器就会立刻发出电脉冲信号，对心脏进行电刺激，引发心脏跳动，保证心脏正常功能运
转。
由起搏器的工作原理和设计过程可知，电子心率起搏器系统中模仿心脏的传递函数相当于一纯积分器，
同时要把心脏跳动状态的电脉冲信号反馈传送回心脏 ，为一单位负反馈 。起搏器的增益及系统参数根据设
计经验选择(图2)。为了及时准确地控制起搏器正常工作 ，就需要在前端加入 PID控制，而 PID控制器参数
选择是设计要解决的主要问题 。
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第 4期 何 东健等 ：基于 MATLAB的 PID控制器参数 整定应仿 真 5l3
3 PID控制器的 MATLAB仿真
MATLAB是美国 MathW。rks公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件 ，它集数值分析 、矩阵运
算 、信号处理和图形显示于一体 ，构成了一个方便的、界面友好 的用户环境。MATLAB可以方便地设计漂亮
的界面 ，具有丰富的函数库，和其他高级语言也具有 良好的接 口，同时也可以方便地实现与其他语言的混合
编程 ，使它已经成为国际上最为流行 的科学与工程计算的软件工具 ，进一步受到了科研工作者的欢迎 。
PID控制器的参数 ， ，， 分别对
系统性能产生不 同的影响。在控制 过程
中如何把 3参数调节到最佳状态 ，需要深
入了解 PID控制 中 3参数对系统动态性
能的影响。下面讨论起 搏器 3参量变化
时对系统控制作用的影响。在讨论一个
参量变化产生的影响时 ，设另外两个参量
为常数。
3．1 P控制作用分析
图 2 电子心率起博器系统结构图
Fig．2 Diagram of electronic heart—rate instrument system stru cture
设 =o，TI=∞ ，Kp=200 —240。
输入信号为阶跃函数 ，根据电予心率起搏器系统结构 图，进行 MATLAB程序仿真如下 。
％ P控制作用程序
G =￡，(5，[1 34．5])； ％给定中间环节的传递函数形式
G2=tr(1，[1 0])；
Gl2= G1{G2；
= [200：20：240]；
for i=l：length( )
G =feedback( ( ){Gl2，1)；
step(Gc)， ％对单位阶跃函数的响应
hold on
end
axis([0，5，0．2，1．6])；
由运行该程序后系统 的阶跃响应曲线(图3)可知，为了提高响应速度和调节精度 ，电子心率起搏器系统
中 PID控制器的参数 应选用 240。
l·l5
1．1
1．05
萋 -
O．05
O．9
O．85 ∥．． ．．
O．05 0．1 O．15 O．2 O．25 0．3 O．35 0．4
s
图 3 电子心率起搏 器系统 P控制阶跃响应曲线
Fig．3 Curve of electronic heart-rate instru ment
system P control step leap response
4
3．5
3
差z．s
2
1．5
l
图 4 电子心率起搏器 PI控制阶跃给定响应曲线
Fig．4 Curve of electronic heart-rate instrument
system PI control step leap response
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514 西 安 科 技 大 学 学 报 2006血
3．2 比例积分控制作用的分析
设 =200，讨论 =0．2—0．4时对系统阶跃响应曲线的影响。根据电子心率起搏器系统结构图的数
据 ，进行 MATLAB程序仿真如下。
％比例积分控制作用程序
G = (5，[1 34．5])； ％给定中间环节的传递函数形式
G2=t／(1，[1 0])；
Gl2= Gl G2；
=200；
= [0．2：0．1：0．4]；
for l：length( )
G。=t／( [ ( )1]，[ (i)0])；
G =feedback(G ，II GI2，1)；
step( )， ％对单位阶跃 函数的响应
hold On
end
axis([0，12，0．2，1．6])；
由运行该程序后系统的阶跃响应曲线(图4)可知 ，为了消除系统的稳态误差 ，提高系统 的控制精度 ，电
子心率起搏器系统中PID控制器的参数 应选用 0．3。
3．3 比例微分调节作用的分析
设 =200， =0．2，讨论 7'o=100—700时对系统阶
跃响应 曲线的影响。根据 电子心率起搏器系统结构图，进
行 MATLAB程序仿真如下 。
％比例微分调节作用的程序
GI=t／(5，[134．5])；％给定中间环节的传递函数形式
G2=t，(1，[1 0])；
Gl2= Gl G2；
=200； =0．2；
= [100：300：700]；
for i=l：length( )
G。=t／( ，II[ (i) 1]，[ 0])；
G。。=feedback(G Gl2，1)；
step(G。。)， ％对单位阶跃函数的响应
hold on
图5 电子心率起搏器 PID控制阶跃给定响应曲线
Fig．5 Curve of electronic heart-rate instrument
system PID control step leap response
end
axis([0，12，0．2，1．6])；
由运行该程序后系统的阶跃响应曲线(图5)可知 ，为了改善系统的动态性能 ，如减小超调量 ，缩短调节
时间，电子心率起搏器系统中 PID控制器的参数 应选用 4O0。
4 结 论
1)利用 MATLAB对 PID参数进行整定和仿真，省去了传统方法反复修改参数 ，反复试运行 ，方便 、快
捷、省时、直观。
2)增大比例系数 将加快系统的响应 ，有利于减小静差 ，但是过大会使系统有较大的 (下转第 523页)
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第 4期 秦 艾等 ：激光光斑定位 的多圃拟合算法的研 究 523
参考文献：
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(上接第514页)
超调，使稳定性变坏；Kp取值过小 ，会使系统 的动作缓慢。
3)增大积分时间 有利于减小超调 ，减小振荡 ，使系统的稳定性增加 ，但系统静差消除时间变长 ；若
过小 ，系统的稳态误差将难以消除，导致系统不稳定。
4)增大微分时间 有利于加快系统的响应速度 ，使系统超调量减小，稳定性增加。但 不能过大，
否则会使超调量增大 ，调节时间较长 ；若 过小 ，同样超调量也增大 ，调节时间也较长。
参考文献 ：
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