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一种自校正PID控制器设计与仿真研究
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第 18 卷增刊 2
2006 年 8 月
Vol. 18 Suppl.2
Aug., 2006
Journal of System Simulation
一种自校正 PID 控制器设计与仿真研究
闫秀英 1,2，任庆昌 1,2，孟庆龙 3
（1.西安建筑科技大学信息与控制工程学院, 陕西 西安 710055; 2.西安建筑科技大学环境与市政工程学院, 陕西 西安 710055;
3.西安交通大学能源与动力工程学院, 陕西 西安 710049）
摘
要：介绍了一种基于改进 Ziegler-Nichols 参数整定方法的自校正 PID 控制器。给出系统的 ARX
模型，引入带遗忘因子的最小二乘实时参数估计算法和增量式 PID 控制算法；给出改进的
Ziegler-Nichols 整定方法，建立临界增益和临界振荡周期与系统参数之间的关系式。以其在变风量
空调系统的变频风机—管道静压控制回路中的应用为例，进行 MATLAB 仿真。仿真结果显示，自
校正 PID 控制系统能够实时估计被控对象的参数，实时整定控制器参数，适应被控过程的变化，具
有较强的实时参数估计和自校正能力。
关键词：自校正 PID 控制；参数估计；Ziegler-Nichols 整定；MATLAB；变风量
中图分类号： TP273.2
文献标示码：A
文章编号：1004-731X (2006) S2-0753-04
Design and Simulation for Self-tuning PID Controller
YAN Xiu-ying1,2, REN Qing-chang1,2, MENG Qing-long3
(1.Department of Information & Control Engineering, Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China;
2.School of Environmental& Municipal Engineering, Xi’an University of Architecture & Technology, Xi’an 710055, China;
3.School of Energy & Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)
Abstract: A self-tuning PID (Proportional-Integral-Derivative) controller based on modified Ziegler-Nichols criterion was
introduced. Firstly, system ARX model, recursive least squares method with forgetting factor and the increment PID control
algorithm were present. Secondly, modified ZN method was introduced, and ultimate gain and ultimate period of relation with
system parameters were formulated. Finally, models of transducer motor-duct static pressure control loop in variable air
volume (VAV) system were applied in MATLAB simulation. Results show that self-tuning PID control system proposed can
real-time estimate system parameters, tune controller parameters and adapt according to variation of controlled process,
therefore it takes on powerful performance of real-time system parameters estimation and controller parameters auto-tuning.
Key words: self-tuning PID control; parameter estimation; Ziegler-Nichols tuning; MATLAB; VAV
的自校正 PID 控制器，并以其在变风量空调系统的变频风机
引 言1
—管道静压控制回路中的应用为例，进行仿真。该仿真以
MATLAB 为平台，利用 MATLAB\SIMULINK 的强大计算功
能，采用系统辨识技术和改进的闭环 Ziegler -Nichols 参数整
定方法，实时估计系统参数和整定控制器参数，使得本文的
控制策略具有对时变系统的适应性。
在整个自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、
生命力最强的基本控制方式[1]。现实控制系统大部分采用传
统的PID控制方法，其控制效果一般是令人满意的。但采用
传统PID控制器的参数整定不仅耗时，而且对于参数未知和/
或慢变化随机干扰严重的系统，参数固定往往不能得到理想
的控制效果[2]；而自校正PID控制将是解决这一问题的有效
途径。自校正控制器的价值在于它具有很强的适应性，能应
用于慢时变系统，或者存在随机干扰的系统，在这些情况下，
采用固定参数控制器可能是不恰当的。因此，将自校正控制
原理与PID算法相结合，成为将自校正控制理论推向实际应
用的一条重要途径；而且，日益增多的其他应用报告[3]表明，
自校正控制正在快速地成长为一种实用的富有生命力的控
制方法。
1 自校正 PID 控制的原理
自校正控制是目前应用最广的一类自适应控制方法；自
校正调节器（STR）的设计思想，是把未知被控对象参数（以
下简称“系统参数”）的估计和控制器的设计分开进行[4]
。
本文采用的自校正 PID 调节器原理结构由三部分构成：最小
二乘递推参数估计，控制器的参数设计和 PID 调节器。其控
制系统结构如图 1 所示。
本文介绍了一种基于改进 Ziegler-Nichols 参数整定方法
收稿日期：2006-04-05
修回日期：2006-6-8
基金项目：陕西省自然科学基金项目(2003F36)
作者简介：闫秀英(1980-), 女, 河北新乐人, 助教, 博士生, 研究方向为
中央空调系统优化控制与仿真; 任庆昌(1945-), 男, 河南汤阴人, 教授,
博导, 研究方向为建筑智能化、建筑设备自动化系统的建模、仿真、优
化、智能控制; 孟庆龙(1979-), 男, 河北邢台人, 博士生, 研究方向为能
源环境工程及自适应控制系统。
图 1 自校正 PID 控制系统结构图
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