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工业过程PID控制器的设计与性能评价研究

作　者: 王鹤曾
导　师: 金晓明
学　校: 浙江大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: PID控制内模法频域法直接综合法稳定过程不稳定过程控制系统性能评价指标
分类号: TM571.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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引　用: 15次
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内容摘要

PID控制是工业过程控制中应用最广泛的方法，因为这种控制策略不仅具有简单的控制结构，而且在许多过程控制应用中都能够获得满意的控制效果。论文着重研究了PID控制器的三种重要设计方法：内模法、频域法和直接综合法，并从确定性性能指标和鲁棒性性能指标的角度，比较这些设计方法在一阶加纯滞后、二阶加纯滞后、非最小相位、积分和不稳定过程PID控制器设计中的应用效果。从研究结果看，各种设计方法所获得的PID控制器参数和相应的控制性能存在着很大差异，采用同一组参数同时让多种控制性能指标都达到最优是不现实的。论文进一步利用随机性性能指标和确定性性能指标以及综合性能指标对PID参数进行寻优，试图提供一种基于综合性能指标设计PID控制器的方法。论文的主要研究工作和成果包括以下几个方面： 1．在回顾PID控制器的历史和发展现状的基础上，着重介绍内模法、频域法和直接综合法三种重要的PID控制器设计方法和控制系统性能指标，综述了目前控制器性能评价技术及其应用情况。 2．针对一阶加纯滞后、二阶加纯滞后、非最小相位、积分和不稳定过程，从确定性性能指标和鲁棒性性能指标两方面定量比较了同一种对象采用不同设计方法所得到的PID控制回路的控制效果。通过综合对比，给出不同工业对象应当优先采用的设计方法。 3．基于综合性能指标优化来进行PID控制器设计，从确定性、随机性、鲁棒性三方面考虑PID控制回路的性能要求，给出了一个折衷的PID控制参数。仿真结果表明综合寻优得到的PID控制器在抑制随机干扰和设定值跟踪方面有良好的控制性能，也有很好的鲁棒性。 4．论文最后是全篇的总结，并展望了PID控制器设计和性能评价等领域所面临的挑战。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACTS  7-9
致谢  9-10
第一章绪论  10-31
  1.1 引言  10-12
  1.2 PID控制器的设计  12-21
    1.2.1 内模设计法  13-15
    1.2.2 频域设计法  15-20
    1.2.3 直接综合法  20-21
  1.3 控制系统的性能指标  21-25
    1.3.1 确定性指标  21-23
    1.3.2 随机性指标  23-25
    1.3.3 鲁棒性指标  25
  1.4 控制系统性能评价与监控  25-30
    1.4.1 历史回顾  25-26
    1.4.2 主要方法  26-28
      1.4.2.1 随机性方法  26-27
      1.4.2.2 确定性方法  27-28
      1.4.2.3 其它方法  28
    1.4.3 主要产品  28-29
    1.4.4 工业应用情况  29-30
  1.5 本文的主要工作  30-31
第二章稳定过程PID控制器设计及其性能研究  31-57
  2.1 引言  31
  2.2 一阶加纯滞后过程  31-40
    2.2.1 PID控制器设计  31-33
      2.2.1.1 内模设计方法  31-32
      2.2.1.2 频域设计方法  32
      2.2.1.3 直接综合设计方法  32-33
    2.2.2 仿真研究  33-37
      2.2.2.1 仿真说明  33-37
    2.2.3 各种方法的性能比较  37-40
  2.3 二阶加纯滞后过程  40-48
    2.3.1 PID控制器设计  40-41
      2.3.1.1 内模设计方法  40-41
      2.3.1.2 频域设计方法  41
      2.3.1.3 直接综合设计方法  41
    2.3.2 仿真研究  41-44
    2.3.3 各种方法的性能比较  44-48
  2.4 非最小相位过程  48-56
    2.4.1 PID控制器设计  48-49
      2.4.1.1 内模设计方法  48
      2.4.1.2 频域设计方法  48-49
      2.4.1.3 直接综合设计方法  49
    2.4.2 仿真研究  49-52
    2.4.3 各种方法的性能比较  52-56
  2.5 小结  56-57
第三章积分和不稳定过程PID控制器的设计与性能研究  57-76
  3.1 引言  57
  3.2 不稳定过程和积分过程  57-75
    3.2.1 PID控制器设计  57-61
      3.2.1.1 内模设计方法  57-60
        3.2.1.1.1 只有一个不稳定极点的过程  59
        3.2.1.1.2 含有积分环节过程  59
        3.2.1.1.3 含有两个不稳定极点的过程  59-60
      3.2.1.2 直接综合设计方法  60-61
        3.2.1.2.1 只有一个不稳定极点的过程  60
        3.2.1.2.2 含有积分环节过程  60-61
        3.2.1.2.3 含有两个不稳定极点的过程  61
    3.2.2 仿真研究  61-67
    3.2.3 各种方法的性能比较  67-75
      3.2.3.1 只有一个不稳定极点的过程  67-70
      3.2.3.2 积分过程  70-73
      3.2.3.3 含有两个不稳定极点的过程  73-75
  3.3 小结  75-76
第四章基于综合性能指标优化设计的PID控制器  76-90
  4.1 引言  76-77
  4.2 PID控制器可实现的最佳随机性能指标  77
  4.3 PID控制器可实现的最佳确定性能指标  77-79
  4.4 PID控制器鲁棒性能的考虑  79-80
  4.5 基于综合性能指标设计的PID控制器参数  80
  4.6 仿真研究  80-89
  4.7 小结  89-90
第五章总结与展望  90-92
  5.1 研究工作总结  90
  5.2 研究工作展望  90-92
参考文献  92-100
作者在攻读硕士学位期间发表的论文  100

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