PID參數(shù)整定MATLAB仿真

1、 2013 屆 綜合課程設計(論文) 題 目PID控制算法的MATLAB仿真研究 專 業(yè) 班 級電氣工程及其自動化（工業(yè)）01 學 號1304200718 姓 名龐亦文 指 導 教 師江衛(wèi)華教授 學 院 名 稱電氣信息學院 2016年6月26日PID控制算法的MATLAB仿真研究MATLAB Simulation Of PID Control Algorithm學 生 姓 名: 龐亦文 指 導 教 師: 江衛(wèi)華 摘 要PID控制是最早發(fā)展起來且目前在工業(yè)過程控制中仍然是應用最為廣泛的控制策略之一。針對PID參數(shù)整定過程的復雜性，基于MATLAB/Simulink仿真環(huán)境，模擬 臨界比例度法PI

2、D參數(shù)整定的方法和步驟，給出了一種簡單有效的PID參數(shù)整定方法。與通常的整定方法比較，其優(yōu)點是非常直觀、可以隨意修改仿真參數(shù)，節(jié)省了大量的計算和編程工作量。通過仿真實例驗證了該方法的有效性。綜觀各種PID參數(shù)整定方法，可以有如下分類：根據(jù)研究方法來劃分，可分為基于頻域的PID參數(shù)整定方法和基于時域的PID參數(shù)整定方法；根據(jù)發(fā)展階段來劃分，可分為常規(guī)PID參數(shù)整定方法和智能PID參數(shù)整定方法根據(jù)被控對象個數(shù)來劃分，可分為單變量PID參數(shù)整定方法和多變量PID參數(shù)整定方法；根據(jù)控制量的組合形式來劃分，可分為線性PID參數(shù)整定和非線性PID參數(shù)整定方法。一般來說，PID參數(shù)整定方法概括起來有兩大類：

3、是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，采用控制理論中的一些方法，經(jīng)過理論計算確型，所得到的計算數(shù)據(jù)般不能直接使用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法。它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的實驗中進行。這種方法簡單實用、易于掌握，因而在工程實際中被廣泛采用?？刂乒こ讨谐Ｓ玫墓こ陶ǚ椒ㄓ信R界比例度法、衰減曲線法、魯棒PID參數(shù)整定法和ISTE最優(yōu)參數(shù)整定法。關鍵詞：PID； MATLAB；原理；參數(shù)； 整定AbstractPID control is one of the most widely used control strategies in the industri

4、al process control. In view of the complexity of the PID parameter tuning process, the method and the steps of the critical scaling method based on the PID simulation environment, a simple and effective PID parameter tuning method is presented. Compared with the usual method, the advantages of the m

5、ethod are very intuitive, can modify the simulation parameters, save a lot of calculation and programming workload. The effectiveness of the proposed method is verified by a simulation example. Overview of the different kinds of PID parameter tuning methods can be classified as follows: divided acco

6、rding to research methods can be divided into based on frequency domain of PID parameters tuning method and time domain parameter tuning of PID controller based on; divided according to the stage of development, it can be divided into conventional PID parameter tuning methods and the intelligent PID

7、 parameter tuning method according to the controlled object number division can be divided into single variable PID parameter tuning method and multi variable PID parameter tuning method, divided according to control the amount of combinations can be divided into linear PID parameter tuning and nonl

8、inear PID parameter tuning method. Generally speaking, the PID parameter tuning method is summed up in two major categories: the theoretical calculation method. It is mainly on the basis of the mathematical model of the system, using control theory, through the theoretical calculation of the correct

9、 type, the obtained data generally cannot be directly used must also be adjust and revise engineering. Two is the engineering setting method. It mainly depends on the engineering experience, which is directly carried out in the experiment of the control system. This method is simple, practical and e

10、asy to grasp, so it is widely used in engineering practice. In the control engineering, the method of critical proportion, the attenuation curve method, the robust PID parameter setting method and the ISTE optimal parameter setting method are commonly used.Keywords：PID; MATLAB; Principle; Parameter;

11、 Setting；目 錄摘 要2Abstract3一、PID算法基本原理51、PID控制參數(shù)對控制性能的影響52.常用的 PID控制器6二、PID控制參數(shù)的整定：采用臨界比例度法（穩(wěn)定邊界法）6三、系統(tǒng)出現(xiàn)失配對控制效果的影響9四、執(zhí)行機構非線性PID控制器控制效果的影響9五、擾動作用對控制效果的影響11結 論14致 謝15參考文獻16第 一 章一、PID算法基本原理1、PID控制參數(shù)對控制性能的影響 比例(P)控制:比例控制作用對應控制參數(shù)為比例系數(shù) K P，比例控制能迅速反應誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差，但因其控制輸出與輸入誤差成正比，所以比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，其調(diào)節(jié)器用在控制系統(tǒng)中，會使系

12、統(tǒng)出現(xiàn)余差。為了減少余差，可適當增大 K P， K P越大，余差就愈??；但 K P增大會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，容易產(chǎn)生振蕩。 K P太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。與其對應的控制參數(shù)為積分時間常數(shù)TI。積分控制的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差。只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因而，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤

13、差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩和不穩(wěn)定。微分（ D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分即誤差的變化率成正比關系。其對應控制參數(shù)為微分時間常數(shù)TD。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或滯后環(huán)節(jié)，控制輸出量變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”。微分控制能夠預測誤差變化的趨勢，可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。同時，加快系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。2.常用的 PID控制器 比例控制器P：比例控制器的結

14、構圖如圖1 所示，其傳遞關系為。其傳遞函數(shù)為。它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場合。比例積分控制器 PI：其傳遞關系為。其傳遞函數(shù)為。它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場合比例微分控制器 PD：其傳遞關系為：遞函數(shù)可寫為：。它適用于控制通道的時間常數(shù)或容量滯后較大的場合，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動態(tài)偏差。需要說明一點，對于那些純滯后較大的區(qū)域里，.微分項是無能為力，而在測量信號有噪聲或周期性振動的系統(tǒng)，則也不宜采用微分控制。比例積分微分控制器 PID：其傳遞關系 。PID控制規(guī)律是一種較理控制器的傳遞函數(shù)可寫為

15、：。PID控制規(guī)律是一種比較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場合，如溫度控制、成分控制等。二、PID控制參數(shù)的整定：采用臨界比例度法（穩(wěn)定邊界法）1、積分時間常數(shù)置于最大（=，即=0 )，微分時間常數(shù)= 0 ，即=0，由大到小調(diào)節(jié)比例度，直至出現(xiàn)臨界震蕩過程，如圖1所示。此時比例度值稱為臨界比例度，值為1.761，臨界震蕩周期為230。 圖1 等幅震蕩過程2、根據(jù)臨界比例度 和震蕩周期 及下表經(jīng)驗計算公式可得：積分時間常數(shù) =0.5=115微分時間常數(shù) =0.25=28.75比例

16、系數(shù) =0.355積分比例系數(shù) = =0.0031微分比例系數(shù) = =10.21 臨界震蕩整定計算公式 P 2 PI 2.2 PID 1.60.50.253、根據(jù)上述計算結果設置調(diào)節(jié)器的參數(shù)值，控制器及響應過程如下圖2和圖3所示 整定后控制系統(tǒng)圖2 整定后控制效果圖34、控制效果優(yōu)劣評價：首先，從系統(tǒng)的單位階躍響應曲線可以看出，由于被控對象有純滯后環(huán)節(jié)，所以響應曲線也有相應的滯后。其次，響應曲線過渡地不平滑，這主要是由于采樣時間決定的，采樣時間長，過渡不6平滑，為了使曲線平滑，可以減小采樣時間，但同時這也意味著積分作用增強，會導致系統(tǒng)不穩(wěn)地，所以減小采樣時間的同時應增大積分時間常數(shù)以減小積分作

17、用。再次，除了純滯后之外，響應曲線的上升時間及調(diào)整時間都比較小，且沒有震蕩，但超調(diào)量較大，可適當增加微分比例系數(shù)，即增大微分時間常數(shù)。最后，響應穩(wěn)態(tài)誤差為零，這主要是積分環(huán)節(jié)在起作用?？傮w來說，該控制器可以滿足基本的控制要求。第 二 章三、系統(tǒng)出現(xiàn)失配對控制效果的影響將滯后時間改為 57，其控制效果如下圖4所示 系統(tǒng)失配控制效果圖4通過對比圖3和圖4，可以看出，滯后時間的小范圍改變除了對響應曲線的滯后有一定影響外，對其他控制質(zhì)量影響不大四、執(zhí)行機構非線性PID控制器控制效果的影響1、在零階保持器和純滯后環(huán)節(jié)中間加入飽和非線性環(huán)節(jié)，幅值設為0.2，其控制系統(tǒng)和控制效果如下圖5和圖6所示：加入飽和

18、非線性的控制系統(tǒng)圖5加入飽和非線性環(huán)節(jié)的控制效果圖6通過對比圖3和圖6可以看出，加入飽和非線性環(huán)節(jié)后，曲線變平滑，超調(diào)量幾乎不變，但響應曲線的上升時間和調(diào)整時間增大，穩(wěn)態(tài)誤差仍為零。2、加入零階保持器和純滯后環(huán)節(jié)中間加入死區(qū)非線性，死去時間為1秒。其控制系統(tǒng)及控制效果如圖7和圖6所示： 加入死區(qū)非線性的控制系統(tǒng)圖7 加入死區(qū)非線性環(huán)節(jié)的控制效果圖8通過對比圖3和圖8可以看出，執(zhí)行機構的死區(qū)非線性對控制效果影響比較大，上升過程曲線發(fā)生畸變，過渡過程時間變長，超調(diào)量減小，但對穩(wěn)態(tài)誤差影響不大。五、擾動作用對控制效果的影響1、在閉環(huán)內(nèi)加擾動，其控制系統(tǒng)及控制效果如下圖9和圖10所示： 閉環(huán)內(nèi)加入擾動

19、控制系統(tǒng)圖9 閉環(huán)內(nèi)加入擾動控制效果圖10 通過對比圖 3和圖 10可以看出，對于閉環(huán)內(nèi)擾動，當出現(xiàn)擾動時，響應會有一定的波動，但通過 PID控制器的控制作用，最終還是會達到預定的穩(wěn)態(tài)值，所以 PID控制器對于閉環(huán)內(nèi)的擾動有抑制作用。2、在閉環(huán)外加擾動，其控制系統(tǒng)及控制效果如下圖 11和圖 12所示： 閉環(huán)外加入擾動控制系統(tǒng)圖 11 閉環(huán)外加入擾動控制效果圖12通過對比圖 3和圖 12可以看出，對于閉環(huán)外的擾動，當擾動出現(xiàn)時，響應出現(xiàn)波動，經(jīng)過一段時間后再次達到穩(wěn)態(tài)，但已不是期望的穩(wěn)態(tài)，由此可以看出 PID控制器對閉環(huán)外的擾動無能為力。結 論 本文在區(qū)別于常規(guī)PID參數(shù)整定方法的基礎上,提出了

20、一種基于MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下的PID參數(shù)整定方法.其特點是簡單、直觀、有效、完全可視化且物理意義明確.這種整定方法步驟簡單、工作量少、容易被工程技術人員所理解和掌握,仿真結果也表明了該方法的有效性,具有很高的實用價值.利用Simulink的控制模塊可很容易對系統(tǒng)進行建模校正,按下仿真按鈕啟動對系統(tǒng)的仿真,可以隨意改變仿真參數(shù),完成對系統(tǒng)的校正.所以利用Simulink對系統(tǒng)做適當仿真和分析,對不符合要求的系統(tǒng)進行校正,可以增強系統(tǒng)的性能,減少系統(tǒng)反復修改的時間,實現(xiàn)高效開發(fā)系統(tǒng)的目標致 謝 在學習中,老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、豐富淵博的知識、精益求精的工作態(tài)度以及侮人不倦的師者風

21、范是我終生學習的楷模，老師們的高深精湛的造詣與嚴謹求實的治學精神，將永遠激勵著我。這三年中還得到眾多老師的關心支持和幫助。在此，謹向老師們致以衷心的感謝和崇高的敬意！ 另外，感謝校方給予我這樣一次機會，能夠獨立地完成一個課程設計，并在這個過程當中，給予我們各種方便，使我們在這學期快要結束的時候，能夠?qū)W到的知識應用到實踐中，增強了我們實踐操作和動手應用能力，提高了獨立思考的能力。感謝所有任課老師和所有同學在這三年來給自己的指導和幫助，是他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如何學習，教會了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進步，在此向他們表示我由衷的謝意。 在這次課程設計的撰寫中，我得到了許多人的幫助。首先我要感謝我的老師在課程設計上給予我的指導、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次設計的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術上的難題，讓我能把系統(tǒng)做得更加完善。在此期間，我不僅學到了許多新的知識，而且也開闊了視野，提高了自己的設計能力。其次