PID控制算法的MATLAB仿真研究

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告題目 PID控制算法的MATLAB仿真研究 班級 姓名 學(xué)號 一、 目的和要求1. 目的(1) 通過本課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步鞏固PID算法基本理論及數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)的認(rèn)識和掌握，歸納和總結(jié)PID控制算法在實(shí)際運(yùn)用中的一些特性。(2) 熟悉MATLAB語言及其在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提高學(xué)生設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)程序的能力。2. 要求通過查閱資料，了解PID算法的研究現(xiàn)狀和研究領(lǐng)域，充分理解設(shè)計(jì)內(nèi)容，對PID算法的基本原理與運(yùn)用進(jìn)行歸納和總結(jié)，并獨(dú)立完成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和總結(jié)報(bào)告。二、 基本內(nèi)容及步驟1. 任務(wù)的提出采用純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)作為系統(tǒng)的被控對象模型，傳遞函數(shù)為，其中各參數(shù)分別為:，

2、。對PID控制算法的仿真研究可從以下四個(gè)方面展開。(1)PID控制器調(diào)節(jié)參數(shù)Kp，KI，KD的整定。PID參數(shù)的整定對控制系統(tǒng)能否得到較好的控制效果是至關(guān)重要的，PID參數(shù)的整定方法有很多種，可采用理論整定法（如ZN法）或者實(shí)驗(yàn)確定法（如擴(kuò)充臨界比例度法、試湊法等），也可采用模糊自適應(yīng)參數(shù)整定、遺傳算法參數(shù)整定等新型的PID參數(shù)整定方法。選擇某種方法對參數(shù)整定后，在MATLAB上對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真，繪制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，從動態(tài)特性的性能指標(biāo)評價(jià)系統(tǒng)控制效果的優(yōu)劣。(2)改變對象模型參數(shù)，通過仿真實(shí)驗(yàn)討論P(yáng)ID控制參數(shù)在被控對象模型失配情況下的控制效果。由于在實(shí)際生產(chǎn)過程的控制中，用模型表示被

3、控對象時(shí)往往存在一定誤差，且參數(shù)也不可能是固定不變的。在已確定控制器最優(yōu)PID調(diào)節(jié)參數(shù)下，仿真驗(yàn)證對象模型的三個(gè)參數(shù)（K，Tf，d）中某一個(gè)參數(shù)變化（不超過原值的±5%）時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)模型失配時(shí)控制效果改變的現(xiàn)象并分析原因。(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)非線性對PID控制器控制效果的分析研究。在控制器輸出后加入非線性環(huán)節(jié)（如飽和非線性、死去非線性等），從仿真結(jié)果分析，討論執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非線性對控制效果的影響。(4)待系統(tǒng)穩(wěn)定后，給系統(tǒng)世家小的擾動信號，觀察此時(shí)系統(tǒng)的相應(yīng)曲線，分析對不同的擾動信號類型（如脈沖信號、階躍）和不同的信號作用位置（如在系統(tǒng)的測量輸出端或控制器輸出的位置），系統(tǒng)是否仍然穩(wěn)定，并與無

4、擾動情況下的響應(yīng)曲線進(jìn)行比較。2. 相關(guān)理論知識本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論知識有：PID算法原理；PID控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的整定方法；MATLAB中動態(tài)仿真工具箱Simulink的使用。3. 內(nèi)容及步驟(1)首先選擇一種PID控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的整定方法，得到最優(yōu)調(diào)節(jié)參數(shù)Kp，KI，KD。(2)打開MATLAB，啟動Simulink工具箱，創(chuàng)建一個(gè)圖示仿真控制系統(tǒng)。觀察系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，記錄動態(tài)特性指標(biāo)值。(3)分別修改參數(shù)K，Tf和d值（不超過原值的±5%），觀察記錄系統(tǒng)出現(xiàn)模型失配時(shí)控制效果的改變，并分析原因。(4)仿真驗(yàn)證執(zhí)行機(jī)構(gòu)非線性的作用。(5)PID控制對系統(tǒng)擾動信號的控制效果驗(yàn)證分析。三

5、、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇采樣周期Ts=1，PID控制器的控制參數(shù)為Kp=0.6，KI=0.002，KD=0.1，此時(shí)PID輸出曲線為：通過此圖可讀出其詳細(xì)性能指標(biāo)：系統(tǒng)超調(diào)量%=10%，上升時(shí)間t=90，調(diào)整時(shí)間tS=250，穩(wěn)態(tài)誤差ess=0。四、 參考文獻(xiàn)1. 張宇河. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)M. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.2. 薛定宇. 反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析Matlab語言應(yīng)用M. 北京：清華大學(xué)出版社，2000.3. 施陽. MATLAB語言精要及動態(tài)仿真工具SIMULINKM. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1998.五、 實(shí)驗(yàn)體會通過本次實(shí)驗(yàn)，我進(jìn)一步鞏固了PID算法的基本理論，基本掌握了

6、數(shù)字控制器的實(shí)現(xiàn)及認(rèn)識，對MATLAB的操作也更加熟練，同時(shí)，我對分析和解決有關(guān)PID控制的實(shí)際控制問題的綜合能力也有了一定的提高。盡管最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果勉強(qiáng)做出來了，但是在實(shí)驗(yàn)的過程中，我遇到了好多問題，大部分的問題最后都通過查閱資料，網(wǎng)絡(luò)搜索，還有向同學(xué)請教等方式解決了，還有一部分問題因?yàn)闀r(shí)間的緣故沒來得及解決，希望考完試后抽時(shí)間再好好學(xué)習(xí)下。達(dá)林算法達(dá)林算法是IBM公司的達(dá)林(Dahlin)在1968年提出了一種針對工業(yè)生產(chǎn)過程中含有純滯后對象的控制算法。其目標(biāo)就是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)。該算法具有良好的控制效果。大林控制算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)(s) 相當(dāng)于一個(gè)延遲環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)，即：，整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時(shí)間和被控對象G(s)的純滯后時(shí)間相同。閉環(huán)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)為，純滯后時(shí)間與采樣周期T 有整數(shù)倍關(guān)，其控制器形式的推導(dǎo)的思路是用近似方法得到系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，然后再由被控系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)，反推系統(tǒng)控制器的脈沖傳遞函數(shù)。由達(dá)林控制算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)，可知整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)應(yīng)當(dāng)是零階保持器與理想的(s)串聯(lián)