【《PID控制算法及其分析现状国内外文献综述》4400字】

PID控制算法及其研究现状国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u30100PID控制算法及其研究现状国内外文献综述 1124071.1研究背景与研究意义 1306971.1.1倒立摆的研究背景 1112451.1.2倒立摆的研究意义 1227271.2PID控制算法及其研究现状 3327001.2.1PID控制算法 3106911.2.2PID参数整定方法 463151.3倒立摆研究现状 4266071.3.1倒立摆的分类 5157091.3.2倒立摆的研究控制理论 728111参考文献： 81.1研究背景与研究意义1.1.1倒立摆的研究背景我们将生活中支点在下且重心在上的控制问题抽象化的这一类控制系统称作倒立摆系统，这类控制系统有两个平衡位置，分别是悬垂状态时稳定平衡位置和倒立状态时不稳定平衡位置。生活中对倒立摆的控制有两种控制方法，第一种控制方法是稳定控制，而另一种控制方法是起摆控制，其中将倒立摆系统稳定到不稳定平衡位置附近稳定控制称作稳定控制，在静止状态下,由于重力作用下处于竖直垂直向下状态，摆杆从垂直向下状态到竖直向上状态的过程就是倒立摆的起摆问题[1]。为了满足人们的需求，倒立摆系统不仅级数变得越来越高，而且其结构也变的越来越复杂。倒立摆的级数由原来的一阶倒立摆发展为今天的二阶、三阶乃至四阶倒立摆，倒立摆的结构也由直线型发展为平面、环形等结构。倒立摆的轨道的复杂性与倒立摆的级数密切相关，级数越高，倒立摆的轨道就会变得越复杂，例如从两自由度的倒立摆转换到六自由度的倒立摆，会大大增强倒立摆的非线性，系统的非线性越强，倒立摆系统的稳定性就会变得越差，实现控制的难度就会变得越大。强耦合、多变量、非线性和高阶不稳定是倒立摆系统的主要特点，由于倒立摆系统的这些特点，它经常作为理想的被控对象出现在控制系统研究中。目前主要通过将经典控制理论、现代控制理论和模糊控制理论等控制理论相结合的方式来解决倒立摆系统的起摆控制和稳摆稳摆这两类问题。1.1.2倒立摆的研究意义倒立摆系统是一种实际生活中较为理想的实验平台。由于倒立摆系统的成本较低、结构简单、便于模拟的优点，可以将它作为一种实验装置；同时倒立摆系统也是一个具有高阶的、不稳定、多变量、非线性、强耦合等特点的被控系统，因此可将其作为一个理想的被控对象；控制系统的镇定性、鲁棒性、随动性和跟踪等关键问题都可以通过利用倒立摆系统控制而得以解决。许多专家和学者利用倒立摆系统来检验各种控制理论与算法的正确性，从科学家们开始研究到如今为止，倒立摆系统研究的重点有以下两个方面：（1）倒立摆的起摆问题（2）控制器部分的设计研究对倒立摆系统的研究，在航天、机器人、军工等领域都有广泛的用途和意义[2]1.2PID控制算法及其研究现状1.2.1PID控制算法PID控制又称比例积分微分控制，通过调整比例系数、积分系数和微分系数进行控制，PID控制算法主要有以下几种方法：（1）数字PID数字PID控制算法可分为增量式PID算法和位置式PID控制算法，这两种数字PID控制算法的原理不同，有着各自的优缺点及适用情况。此外，这两种PID控制算法的原理不同，位置式PID控制算法与整个过程的状态都有关，而增量式PID算法只与当前拍与前两拍的误差有关，对应的控制算法的表达式如式(1-1)、（1-2）。增量式PID算法表达式[18]:（1-1）位置式PID控制算法表达式:（1-2）（2）模糊PID控制将PID控制与模糊控制有关的控制理论相结合的一种控制方法称作模糊PID控制。其中模糊控制集是模糊控制的基础，数学模型的准确性也不需要特别强，并且具有自适应性强、鲁棒性好等特点。模糊PID控制是在传统PID控制的基础上，加入模糊控制，通过输入误差变化率与误差这两个变量动态控制PID控制器的、、这三个参数，通过相关的模糊控制理论建立模糊控制集合和模糊隶属函数，使设计的PID控制器起到最优控制的作用。（3）自适应PID控制PID控制需要对比例积分微分三个参数进行参数整定，而所谓的自适应PID控制就是将自适应相关的控制理论运用到PID控制中去，结合两者各自的优点不仅可以使PID的比例、积分、微分常数三个参数根据系统要求的参数进行在线自整定，又可以具有可靠性强、操作简单且具有较强的鲁棒性等优点。（4）专家PID控制（参考文献）将PID控制与专家理论相结合的一种控制方法称作专家PID控制。专家PID控制器是一种直接型专家控制器，该PID控制的实质：基于控制规律的被控对象和各种知识，利用专家经验来设计PID参数，不需要知道被控对象的精确模型，从而达到最优控制的效果[3]。1.2.2PID参数整定方法PID控制的关键就是如何设计一个PID控制器，而PID控制器是由比例系数、积分系数和微分系数共同决定的，因此如何选定最合适的PID参数是PID控制中最关键的部分。对PID参数进行参数整定，目前有以下几种PID整定方法：（1）传统PID整定法传统的整定法包括工程整定法和计算整定法，而理论计算法需要根据系统传递函数，通过计算来得到PID参数，这种整定方法的得到的结果需要通过工程实际加以调整。（2）工程PID整定法当采用工程PID整定法对PID参数进行整定时，无需知道过程中的数学模型，其计算原理简单。其主要包括衰减曲线法、响应曲线法和稳定边界法，这三种整定方法各有优缺点，但都需要通过实验再加上工程经验公式来整定PID参数，最后根据实际需要调整参数。（3）智能PID整定法选取合适的智能算法例如遗传算法、神经网络等智能算法等对PID参数进行在线自整定，可以迅速控制PID参数，避免了手动调节PID参数的反复操作[3]。1.3倒立摆研究现状从上世纪50年代开始，控制理论专家设计出了世界上最简单的倒立摆研究实验装置，开始了对倒立摆系统控制研究。直到20世纪60年代，才提出了倒立摆系统的概念，它才因此被世人所熟知。由于倒立摆系统具有强耦合、多变量、非线性和高阶不稳定的特点，所以一直作为重要的被控对象用来研究各种控制理论。在1982平面直线运动倒立摆的控制。1975Yamakita立摆级数増加到二级。根据不同的倒立摆级数，可将其分为一阶、二阶、三阶和多阶倒立摆；根据倒立摆的运动方向，可分为直线型和平面型；根据倒立摆的运动轨道的不同，又可分为水平轨道、斜轨道和圆轨道倒立摆系统。随着对倒立摆系统研究的增多，又相继出现了柔性摆、旋转式、球摆倒立摆[3]。1.3.1倒立摆的分类系统。通过对倒立摆结构的分类，大致有下面几种类型：（1）直线倒立摆系列模块分成多种类型的直线倒立摆。直线倒立摆系列如图1-11-1（2）环形倒立摆系列1-2所示：图1-2环形倒立摆系统（3）平面倒立摆系列平面倒立摆主要是XY工作台和两自由度机械臂分别与两自由度球关节进行组合，同时根据级数的不同，又可以分为多种平面倒立摆。平面倒立摆系列如图1-3所示[18];图1-3平面倒立摆系列1.3.2倒立摆的研究控制理论倒立摆系统主要由电机、导轨、摆杆、光电编码器、小车和限位开关等部分组成，由于倒立摆系统具有强耦合、多变量、非线性和高阶不稳定的特点，可以通过利用各种控制理论相结合的方法来进行验证。倒立摆在稳定控制方面，主要有以下几种研究控制理论：1.经典控制理论经典控制理论是倒立摆系统研究控制中最先使用的控制理论，通过对倒立摆系统建立数学模型，从而推导出倒立摆系统的传递函数，根据得到的传递函数设计PID控制器。由于PID，不能同时研究摆杆角度和小车的位置，具有一定的局限性。2.现代控制理论现代控制理论是基于状态空间理论为基础的一种控制理论，通过推导倒立摆系统的非线性模型推导出倒立摆系统的输出方程和状态方程，应用极点配置和LQR最优控制等方法配置系统的极点，从而实现对系统的控制。3.智能控制相关理论模糊控制不依靠数学模型的精确性，且有较好的鲁棒性是模糊控制这种控制方法的优点，但模糊控制在某些方面也有着一些缺点，要想得到的控制效果更好，模糊控制应与其他控制方法相结合起来使用。神经网络神经网络算法的优点是具有较好的容错性和鲁棒性，不确定性系统的动态特性往往都可以利用神经网络算法进行学习和适应，但其缺点是神经网络的层数和隐含神经元的个数不容易确定。遗传算法智能算法的其中的一个重要分支是遗传算法，并行、高效、全局搜索是遗传算法的本质，它是通过模拟自然界的进化机制从而发展起来的一种随机全局搜索算法，在搜索过程中能够自行搜索和积累有关空间相关的知识，并且能够自适应控制搜索达到最优控制的效果，其优点是较为简单且鲁棒性强等[5]。参考文献：[1]洪旭.倒立摆系统模糊控制算法研究[D].西安电子科技大学,2005.任志巍,[2]罗芳,潘光辉.基于simulink的模糊控制倒立摆系统研究[J].清远职业技术学院学报,2015,8(03):80-82.[3]赵文才.环形单级倒立摆系统的控制研究[D].广东工业大学,2018.[4]茹斐斐.双闭环控制方法在两轮自平衡小车中的应用研究[D].河南大学,2013.[5]赵明明.基于PID的二级倒立摆控制器的设计[D].曲阜师范大学,2012.[6]刘峰.基于倒立摆的控制方法研究[D].西安电子科技大学,2019.[7]洪旭.倒立摆系统模糊控制算法研究[D].西安电子科技大学,2005.[8]罗灿.基于自适应模糊PID的双轮自平衡车的控制系统研究[D].吉林大学,2018.[9]汤维.基于直线二级倒立摆控制系统的研究[D].内蒙古科技大学,2012.[10]张敏.二级倒立摆云模型PID控制研究[D].大连海事大学,2016.[11]缪文南,周政,旋极一,陈东水,曹闹昌.基于模糊PID的球平衡机器人控制器设计与仿真[J].传感器与微系统,2021,