（毕业论文 字数：22771 页数：46）摘 要：近年来，随着工业过程控制领域以及军事工业、航空航天工业的快速发展,对控制系统性能的要求越来越高，而系统的被控对象往往带有大范围的不确定性和未知的外部扰动，因此对控制系统相应地提出了鲁棒性要求。时滞特性是工业生产过程中普遍存在的现象，由于时滞现象的存在，扰动不能被及时察觉，控制作用需长时间后才能反映到系统输出上，因此使控制器参数不易选取，若控制参数调整不当，会造成系统控制品质的下降，严重时会导致系统不稳定。特别是对于一些具有时变特性的复杂的工业系统，更增加了控制系统的设计难度。QFT理论是近期快速发展起来的一种较为流行的鲁棒控制器的设计方法，它以其较强的工程实用性引起了广大学者的关注本文对QFT的设计基础、设计方法进行了深入的研究。
本文分析了QFT方法的研究对象、设计特点和发展过程，从频域分析的角度介绍了QFT设计方法的基础知识，讨论了二自由度结构的控制器，并对被控对象含有不确定性和外部扰动时的时域及频域指标进行分析。就控制器结构、对象模板、性能指标边界、设计整形以及予滤波器的设计、QFT设计过程等主要问题进行了分析和研究，得出了QFT的基本算法和设计步骤。定量反馈理论是目前鲁棒控制领域中具有较强工程实用价值的一种设计方法，而PID控制器由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高,因而成为应用最为广泛的控制器。本文中介绍了利用定量反馈理论设计的PID控制器，并对两自由度控制结构系统进行了数值仿真,验证了控制器的有效性。

关键词: 定量反馈理论,鲁棒控制,PID 控制器

Design of PID Controller Based on QFT

ABSTRACT ：In recent years, the military affairs, avigation and space technology quickly developed,
a high pecifications of system is needed. And the plant controlled often contains large uncertainty and unknown disturbance, there for the robust specification is presented to the control system. Time delay is a common phenomenon in many industrial processes. Because of the time delay, the disturbance can't be observed in time and the system output can be affected after a long time and the parameters of controller can not be selected easily. Because of insufficiency of the parameters selected, the control performance of the system will be deteriorated，and then the system will not be steady. When the parameters of complex system are variable by time, it is more difficult to design the control system. QFT is a fashionable robust control theory rapidly developed in recent years, which has the advantage of engineering practicability. There is a great need for such method, in order to hopefully overcome the huge gap between much of Robust Control Theory and Engineering Practice, The properties, basic principles, and design method of quantitative feedback theory are summarized in this paper.
In this paper, the plant considered, the design properties, and the biography of QFT development are presented. The principle knowledge of QFT w-domain is introduced, and the QFT design problem with 2-DOF (degree of freedom) structure system is discussed. Specially, the specifications of t-domain and w-domain using in design a plant contained large uncertainty and unknown disturbance, is analyzed. The main problems of QFT design, such as the structure of control system, the plant templates, bounds of specifications, loop shaping, prefilter shaping and the progress of QFT design is researched, and the principle arithmetic and the design process of QFT is deduced. The QFT is in the present robust specification control domain has the stronger project practical value one design method. Because the PID controller its algorithm simple, robustness good and the reliability is high, thus becomes applies the most widespread controller. In this article introduced the use QFT design PID controller. This paper introduces a quantitative feedback theory of PID controller design, as well as two degrees of freedom control structure system of numerical simulation, verification of the validity of the controller.

KEY WORDS: QFT (Quantitative Feedback Theory)， Robust control，PID controller

目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
1 绪论 1
1.1课题研究的意义 2
1.2常规PID整定方法 3
1.2.1 Z-N参数整定法 4
1.2.2 基于误差性能指标的整定方法 4
1.2.3 内模(IMC Internal-Mode-Control)整定 5
1.3 PID控制器鲁棒性的研究现状 6
1.3.1自整定和自适应PID控制 6
1.3.2 智能PID控制(Intelligent PID Control) 7
1.3.3 鲁棒PID控制(Robust PID Control) 8
1.4 本文的研究内容 9
2 QFT简介 10
2.1 QFT简介 10
2.2 QFT研究对象和设计特点 10
2.3 QFT发展过程及研究方向 11
2.4 频域控制理论简述 12
2.4.1 频域控制理论发展回顾 12
2.4.2 频域控制理论发展的思考和展望 13
3 QFT设计基础 14
3.1 QFT控制器结构 14
3.1.1单自由度结构系统 14
3.1.2二自由度结构设计 14
3.1.3 反馈作用的讨论 16
3.2频率晌应及其描述 17
3.2.1频率晌应 17
3.2.2频率晌应的描述 17
3.3 基本频率特性 18
3.3.1 相对稳定性、穿越频率和带宽 18
3.3.2 条件稳定性 19
3.3.3 高频增益 20
3.3.4 Nyquist稳定判据 21
3.4闭环系统性能指标 21
3.4.1时域指标 22
3.4.2频域指标 22
3. 5本章小结 23
4 QFT设计理论 24
4.1 对象模板 24
4.1.1 基本概念 24
4.1.2 对象模板频率范围的确定 24
4.2 性能指标边界 25
4.2.1 基本概念 25
4.2.2 指标边界的生成 26
4.2.3 性能指标的分类 27
4.3 设计整形 28
4.3.1 基本概念 28
4. 3.2 基本控制规律的Nichols图形 28
4.4 预滤波器的设计 30
4.5 QFT设计过程总结 31
4.6 本章小结 31
5 PID调节器设计 32
5.1 PID控制基础 32
5.1.1 PID控制器 32
5.1.2 参数比Ti/Td 32
5.2 设计算法 32
5.2.1 初始控制器 32
5.2.2 QFT法PID调节器设计法 34
5.2.3 仿真研究 35
5.3 本章小结 38
总结 39
致谢 40
参 考 文 献 41

1 绪论
滞系统广泛存在于工业过程控制领域。在工业生产过程中，被控对象除了具有容积迟延外，往往不同程度的存在着纯迟延。如反应器、管道混合、皮带传输 、多容量、多个设备串联以及用分析仪表测量流体的成分等等过程都存在着较大的纯迟延，即时滞过程。在这些过程中，由于时滞过程的存在，使得被调量不能及时反映系统所承受的扰动，即使测量信号到达调节器，调节机关接受调节信号后立即动作，也需要经过纯迟延时间后，才波及被调量，使之受到控制。因此这样的过程必然会产生较明显的超调量和较长的调节时间。所以，具有纯迟延的时滞过程被公认为是较难控制的过程，由于滞后的存在，给控制器的设计、实现带来了很大的困难，其难控程度将随着纯迟延时间占整个过程动态的份额的增加而增加。当纯迟延较大时，可能因为超调严重而出现聚爆、结焦等停产事故；有时则可能引起系统的不稳定，被调量超过安全限，从而危及设备及人生安全。因此时滞过程一直受到人们的关注，成为重要的研究课题。