附页：文献综述

电动式激振器混合试验系统的PID控制器设计的文献综述

前言

由于地震作用和工程结构的复杂性，结构抗震试验方法的研究显得尤为重要。而近年来一些新兴的结构抗震装置很难用传统的抗震试验方法来检验其抗震性能。实时混合试验方法具有能进行大比例尺甚至足尺试验和实时试验的优良特性，它能够克服传统抗震试验方法的局限性。实时混合试验方法将结构分为数值子结构和实验子结构，通过传递系统（作动器或振动台）来实现实验子结构和数值子结构之间的边界条件的协调。传递系统的动力特性会影响整个实时混合试验系统的稳定和精度，因此，用控制方法消除传递系统动力特性的影响有十分重要的意义。实时混合试验中试验子结构与数值子结构的边界条件能否协调，是试验成功与否的关键，而要实现这一点，传递系统（作动器或振动台）必须精确跟踪数值子结构传递过来的位移指令。因此，作动器加载控制是实时混合试验中的关键环节之一。PID控制是工业控制中应用最广泛，也是最成熟的控制算法，PID控制的算法有简单、鲁棒性好、可靠性高、性能良好等优点，因此在混合试验中得到大量应用。[1]

正文

PID控制器有简单鲁棒性好等大量优点，PID控制是最早发展起来的控制策略之一,是迄今为止最通用的控制方法。目前大多数工业控制回路仍然应用着PID控制器或改进型PID控制器。在PID控制中,控制效果的好坏完全取决于PID参数的整定与优化。普通的PID控制在控制基本线性和动态特性不随时间变化的系统上控制效果不错,但是在控制非线性、时变的系统时,控制效果往往不佳。PID 控制的控制品质不受控制对象特性的影响，这就使得其对大部分的工程控制系统皆具有良好的控制效果。由于 PID 控制器具有如上诸多优点使得国内外诸多学者对其进行了大量研究，并将其应用在振动主动控制领域中。[2]

在工业实践中 PID 控制（Proportional Plus Integral Plus Derivative Control）是应用最广泛的一种控制方法，超过 95%的工业过程控制回路均采用 PID 结构，PID 控制器应用于工业过程控制中已有 35 年之久且已成为最主要且可靠的技术工具。[3]如今最常见的 PID 模型最早出现在二十世纪三十年代的气动调节器中，然后逐渐应用在各个领域：机械，化工，冶金，电力，计算机技术等；在二十世纪八十年代 PID 控制器随着微处理器的应用而迅速发展。[4]直至今日 PID控制仍占主导地位，并随着先进控制技术的发展，出现了一些改进——将传统 PID 控制器与先进的控制算法结合，例如：模糊 PID 控制器、神经网络 PID 控制器、预测 PID 控制器等PID 控制器可以解决多种控制问题，它可以提供反馈，或通过积分环节消除系统稳态误差，或通过微分环节对未来做出预测。它的结构和算法较为简单，针对不同模型控制需求有多种控制器种类：比例（P）控制器、比例积分（PI）控制器、比例微分（PD）控制器和比例积分微分（PID）控制器；鲁棒性能好，可靠性能高，且不依赖于模型。当然 PID也并非万能控制器，它的控制方法有一定的局限性：对于时变、大时滞、强干扰等复杂的动态系统来说，很难达到较好的控制效果。设计 PID 控制器时需要考虑以下因素：负载扰动、噪声测量、模型需求及精度。实际现场中 30%的控制回路采用手动调节 PID 参数，而理论上的参数整定值往往并不理想。[5]早在 70 多年前，Ziegler 和 Nichols 共同提出了一种 PID 控制经验公式，随后越来越多的 PID控制器参数整定方法相继出现。由于被控对象模型结构及参数的实时变化，参数自整定和在线自校正成为工业控制发展的迫切需求，伴随着人工智能的发展，PID 控制器从手动调节阶段逐渐向参数自整定阶段过渡。Z-N 经验公式是一种简单有效且应用广泛的整定方法，但超调量大，对于一些具有时滞或大惯性对象来说控制效果不佳。[6]随后在 Z-N 法的基础上衍生出各式各样整定方法的变形，例如 Chien-Hrones-Reswick 法（CHR），Cohen-Coon 法，它们都是基于时域分析的方法；频域分析法包括幅相裕度法、极点配置法、内模控制法（Internal Model Control，简称IMC）、继电整定法等等。[7-8]刘明通过研究将模糊控制与PID结合，将操作人员和专家长期实践积累的经验知识用控制规则模型化，将序列对转化成向量,利用遗传算法根据K p， K I， K D建立目标函数，对误差和误差变化量精确的在线整定，实现对PID的三个参数在线整定，分析研究了二维并联型的性能优化。[9]Gilberto Reynoso-Meza研究了PID在这个领域的研究范围与新调优方法，新型的结构和整体设计方法。发现在这种情况下，进化算法表现出良好的性能，被应用于各种建议与PID控制器调优。[10]张恒研究了具有智能性的PID控制器，弥补了现有的智能PID控制器上述的缺陷，利用系统自身反馈信息包括误差、误差变化以及误差变化的变化等设计智能PID控制规律，完全自动的调节控制器参数，并获得了较好的控制效果。[11]姜威风研究了如何用内模法和频域法两种PID控制器的设计方法来设计PID控制器，并在二阶加纯滞后过程中用内模法和频域法设计PID控制器，并对它们进行仿真。[12]杜井庆,高世桥等人提出了一种简单的控制量按任意函数变化的控制方法,即小区段设定值恒定PID控制算法,给出了该算法的数学模型,简要介绍了此PID控制算法的各个参数的整定方法,并分析了此算法在控制量超前控制、滞后控制、理想控制情况下的参数选取原则;用MATLAB对此算法进行了仿真和验证。[13]龚齐斌，向贤兵针对复杂系统的控制问题，在原有PID控制的基础上，将PID控制与模糊控制相结合，设计一种自整定模糊PID混合控制器，利用MATLAB中的Simulink软件进行仿真。仿真研究表明，自整定模糊PID控制器具有较强的自整定能力，控制效果优于原有PID控制器。[14]杨文刚发现传统的PID控制器无法适用于各种形式的积分系统，或者鲁棒性不高，于是为时滞积分系统设计了一种采用直接合成法的PID控制器。将控制器方案应用于多种传递函数进行仿真实验，结果显示了算法可适用于多种积分系统，且保持了较好的鲁棒性。[15]景微娜,左信针对被控对象模型未知的情况,给系统加入白噪声,测得输出数据,通过输入输出数据估计模型阶次与延迟时间,从而得到被控对象模型。仿真结果表明,辨识模型能较好地反映原过程的动态特性。在此基础上,利用内模法、直接综合法及频域法这三种方法进行了PID控制器的设计,同时用随机性能指标和确定性指标对系统性能进行了评价。[16]刘丕亮,杨威等人设计了热风炉的燃烧控制方案,然后具体对几种不同的PID自整定方法进行研究,并以工业控制系统中常用的带有时间延迟的一阶模型为例,运用MATLAB对具体的PID自整定方法进行研究与仿真;同时,对仿真结果进行比较,得到了各种自整定方法的控制效果和适用范围;以便将PID自整定方法运用到热风炉的燃烧控制中,进而改善其燃烧效果。[17]

北京航空航天大学的李云龙和王晓军等人将 PID 控制技术应用到飞机空腔结构的振动与噪声控制中，并设计空腔进行振动主动控制实验实验结果表明，PID 控制能有效的降低空腔的振动。[18]西北工业大学的张顺启等人对振动主动控制方法进行了大量的研究，分别使用PID 控制方法和 LQR 最优控制对薄板智能结构进行振动主动控制，通过建模并使用 MATLAB 仿真模拟得出两种控制方法的控制效果，试验表明运用 PID 控制方法的控制效果明显优于 LQR 最优控制。[19]泰国的 Teerawat Sangpet等人对柔性梁的振动主动控制研究中采用 PID 控制方法，并选用压电作动器进行实验研究实验结果指出，在柔性梁的振动主动控制中 PID 控制能达到很好的控制效果。[20]美国的 Charles等人针对 PID 控制进行了大量的研究，并将 PID 控制应用到柔性板结构振动主动控制中，设计振动主动控制实验控制前与控制后的实验结果对比可知，加入 PID 控制后振动减弱了 70%左右。[21]

在混合试验系统的控制中,PID控制尤为重要,要对作动器实行精确的力控制,以保证混合试验的可靠性,因此,对混合试验中PID控制器的研究未来仍需要更加深入的研究。