伴随着社会生产力的不断进步,传统PID控制器已无法适应更高的生产需求,从而,分数阶PID(FOPID)控制器作为一种潜在替代者成为近年来学者们研究的重点。据各方面资料显示,分数阶PID控制器以其多加的两个分数阶阶次参数,使得在控制器设计上比整数阶更灵活,且由于分数阶微积分在研究中迸发的潜力,使其备受学者青睐。然而,整数阶PID控制器的部分缺陷也被分数阶PID控制器继承。鉴于PID控制器结构的局限性,无法兼顾负载扰动抑制响应、设定值响应,而这一问题,2DOF(Two Degrees Of Freedom)PID可以较好的解决。在2DOFPID控制器的参数整定上,现有的方法或多或少存在些许不足,比如采用整数阶逼近被控对象,既没有分数阶模型精确,也不能将分数阶控制器的优势显现出来。其次,由于分数阶理论和二自由度结构上的特殊性,使得一般的整定方法在推导过程上繁冗有余。本文立足于分数阶微积分,简要介绍分数阶系统的相关内容,并分别对分数阶PID控制器、2DOF PID控制器的基础理论做了较为详细的总结,文中所做的主要工作有:1.针对两种类型(1型系统和2型系统)的分数阶被控系统(Fractional Order Controlled Object),分别设计2DOF FO-PID/I-PD控制器,本文在设计过程中,对FOCO不做整数阶近似化,确保被控对象的精确性。首先在不改变整个控制系统本质的条件下运用自动控制原理进行等效变换,其次,将变换得到的结构采用Bode理想传递函数进行零极点对消,将2DOF分数阶控制器的7个未知参数(Kp,Ki,Kd,λ,μ,α,β),简化到3个(Kp,α,β),保证了控制器对被控对象不确定性具有很好的适应性。最后,以时间乘以误差绝对值积分(ITAE)为性能指标,在合理的区间范围内得到最优解。与此同时,对于文中所设计的两类控制器,通过仿真实验详细的分析了二者的差异。控制系统进行稳定性分析使用小增益定理论证。使用2DOFPID传统参数整定方法、粒子群优化(PSO)算法作为参照,进行对比试验。最终仿真结果通过超调量,稳态误差等具体的数据指标多角度验证了方法的有效性,快速性和稳定性。2.在对2DOF FO-PID控制器深入研究后,本文提出了一种利用D分解法进行主导极点配置的新型控制器设计方法。其基本思想是基于动态响应指标约束来进行主导极点配置,由此可以得到分数阶控制器参数Kp,Ki关于Kd,α,β的线性函数,固定参数β后,就只有Kd和α两个自由参数。D分解法用来确定Kd和α,从而确保所选极点的优势。在此过程中,引入差分进化算法作为媒介,确定参数的稳定区域,使2DOF FO-PID控制器达到理想的系统控制性能。此外,使用HM-MD2电机驱动实验平台进行实物仿真,实验过程基于Code Composer Studio和MATLAB/Simulink软件开发平台。首先将电机模型进行分数阶系统辨识,得到分数阶传递函数模型,接着使用文中所设计2DOFPID进行实验测试,以经典一自由度FO-PID为参照,着重研究了控制系统的抗干扰性能、跟踪性能,从得到的各项试验数据来看,其实际控制性能和仿真实验表现均达到预期,显示出2DOF FO-PID控制器较高的鲁棒性和实用性。