PID参数整定MATLAB仿真.docx

综合课程设计论文 2013 届 综合课程设计(论文) 题 目PID控制算法的MATLAB仿真研究 专 业 班 级电气工程及其自动化（工业）01 学 号1304200718 姓 名庞亦文 指 导 教 师江卫华教授 学 院 名 称电气信息学院 2016年6月26日PID控制算法的MATLAB仿真研究MATLAB Simulation Of PID Control Algorithm学 生 姓 名: 庞亦文 指 导 教 师: 江卫华 摘 要PID控制是最早发展起来且目前在工业过程控制中仍然是应用最为广泛的控制策略之一。针对PID参数整定过程的复杂性，基于MATLAB/Simulink仿真环境，模拟 临界比例度法PID参数整定的方法和步骤，给出了一种简单有效的PID参数整定方法。与通常的整定方法比较，其优点是非常直观、可以随意修改仿真参数，节省了大量的计算和编程工作量。通过仿真实例验证了该方法的有效性。综观各种PID参数整定方法，可以有如下分类：根据研究方法来划分，可分为基于频域的PID参数整定方法和基于时域的PID参数整定方法；根据发展阶段来划分，可分为常规PID参数整定方法和智能PID参数整定方法根据被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方法和多变量PID参数整定方法；根据控制量的组合形式来划分，可分为线性PID参数整定和非线性PID参数整定方法。一般来说，PID参数整定方法概括起来有两大类：是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，采用控制理论中的一些方法，经过理论计算确型，所得到的计算数据般不能直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法。它主要依赖工程经验，直接在控制系统的实验中进行。这种方法简单实用、易于掌握，因而在工程实际中被广泛采用。控制工程中常用的工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法、鲁棒PID参数整定法和ISTE最优参数整定法。关键词：PID； MATLAB；原理；参数； 整定AbstractPID control is one of the most widely used control strategies in the industrial 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 method 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 according 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 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 nonlinear 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 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 easy 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; Setting；目 录摘 要2Abstract3一、PID算法基本原理51、PID控制参数对控制性能的影响52.常用的 PID控制器6二、PID控制参数的整定：采用临界比例度法（稳定边界法）6三、系统出现失配对控制效果的影响9四、执行机构非线性PID控制器控制效果的影响9五、扰动作用对控制效果的影响11结 论14致 谢15参考文献16第 一 章一、PID算法基本原理1、PID控制参数对控制性能的影响 比例(P)控制:比例控制作用对应控制参数为比例系数 K P，比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差，但因其控制输出与输入误差成正比，所以比例控制不能消除稳态误差，其调节器用在控制系统中，会使系统出现余差。为了减少余差，可适当增大 K P， K P越大，余差就愈小；但 K P增大会引起系统的不稳定，使系统的稳定性变差，容易产生振荡。 K P太小，又会使系统的动作缓慢。积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。与其对应的控制参数为积分时间常数TI。积分控制的作用是消除稳态误差。只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡和不稳定。微分（ D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率成正比关系。其对应控制参数为微分时间常数TD。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或滞后环节，控制输出量变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”。微分控制能够预测误差变化的趋势，可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高。同时，加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。2.常用的 PID控制器 比例控制器P：比例控制器的结构图如图1 所示，其传递关系为。其传递函数为。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。比例积分控制器 PI：其传递关系为。其传递函数为。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合比例微分控制器 PD：其传递关系为：递函数可写为：。它适用于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合，可以提高系统的稳定性，减小动态偏差。需要说明一点，对于那些纯滞后较大的区域里，.微分项是无能为力，而在测量信号有噪声或周期性振动的系统，则也不宜采用微分控制。比例积分微分控制器 PID：其传递关系 。PID控制规律是一种较理控制器的传递函数可写为：。PID控制规律是一种比较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合，如温度控制、成分控制等。二、PID控制参数的整定：采用临界比例度法（稳定边界法）1、积分时间常数置于最大（=，即=0 )，微分时间常数= 0 ，即=0，由大到小调节比例度，直至出现临界震荡过程，如图1所示。此时比例度值称为临界比例度，值为1.761，临界震荡周期为230。 图1 等幅震荡过程2、根据临界比例度 和震荡周期 及下表经验计算公式可得：积分时间常数 =0.5=115微分时间常数 =0.25=28.75比例系数 =0.355积分比例系数 = =0.0031微分比例系数 = =10.21 临界震荡整定计算公式 P 2 PI 2.2 PID 1.60.50.253、根据上述计算结果设置调节器的参数值，控制器及响应过程如下图2和图3所示 整定后控制系统图2 整定后控制效果图34、控制效果优劣评价：首先，从系统的单位阶跃响应曲线可以看出，由于被控对象有纯滞后环节，所以响应曲线也有相应的滞后。其次，响应曲线过渡地不平滑，这主要是由于采样时间决定的，采样时间长，过渡不6平滑，为了使曲线平滑，可以减小采样时间，但同时这也意味着积分作用增强，会导致系统不稳地，所以减小采样时间的同时应增大积分时间常数以减小积分作用。再次，除了纯滞后之外，响应曲线的上升时间及调整时间都比较小，且没有震荡，但超调量较大，可适当增加微分比例系数，即增大微分时间常数。最后，响应稳态误差为零，这主要是积分环节在起作用。总体来说，该控制器可以满足基本的控制要求。第 二 章三、系统出现失配对控制效果的影响将滞后时间改为 57，其控制效果如下图4所示 系统失配控制效果图4通过对比图3和图4，可以看出，滞后时间的小范围改变除了对响应曲线的滞后有一定影响外，对其他控制质量影响不大四、执行机构非线性PID控制器控制效果的影响1、在零阶保持器和纯滞后环节中间加入饱和非线性环节，幅值设为0.2，其控制系统和控制效果如下图5和图6所示：加入饱和非线性的控制系统图5加入饱和非线性环节的控制效果图6通过对比图3和图6可以看出，加入饱和非线性环节后，曲线变平滑，超调量几乎不变，但响应曲线的上升时间和调整时间增大，稳态误差仍为零。2、加入零阶保持器和纯滞后环节中间加入死区非线性，死去时间为1秒。其控制系统及控制效果如图7和图6所示： 加入死区非线性的控制系统图7 加入死区非线性环节的控制效果图8通过对比图3和图8可以看出，执行机构的死区非线性对控制效果影响比较大，上升过程曲线发生畸变，过渡过程时间变长，超调量减小，但对稳态误差影响不大。五、扰动作用对控制效果的影响1、在闭环内加扰动，其控制系统及控制效果如下图9和图10所示： 闭环内加入扰动控制系统图9 闭环内加入扰动控制效果图10 通过对比图 3和图 10可以看出，对于闭环内扰动，当出现扰动时，响应会有一定的波动，但通过 PID控制器的控制作用，最终还是会达到预定的稳态值，所以 PID控制器对于闭环内的扰动有抑制作用。2、在闭环外加扰动，其控制系统及控制效果如下图 11和图 12所示： 闭环外加入扰动控制系统图 11 闭环外加入扰动控制效果图12通过对比图 3和图 12可以看出，对于闭环外的扰动，当扰动出现时，响应出现波动，经过一段时间后再次达到稳态，但已不是期望的稳态，由此可以看出 PID控制器对闭环外的扰动无能为力。结 论 本文在区别于常规PID参数整定方法的基础上,提出了一种基于MATLAB/Simulink仿真环境下的PID参数整定方法.其特点是简单、直观、有效、完全可视化且物理意义明确.这种整定方法步骤简单、工作量少、容易被工程技术人员所理解和掌握,仿真结果也表明了该方法的有效性,具有很高的实用价值.利用Simulink的控制模块可很容易对系统进行建模校正,按下仿真按钮启动对系统的仿真,可以随意改变仿真参数,完成对系统的校正.所以利用Simulink对系统做适当仿真和分析,对不符合要求的系统进行校正,可以增强系统的性能,减少系统反复修改的时间,实现高效开发系统的目标致 谢 在学习中,老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，老师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！ 另外，感谢校方给予我这样一次机会，能够独立地完成一个课程设计，并在这个过程当中，给予我们各种方便，使我们在这学期快要结束的时候，能够将学到的知识应用到实践中，增强了我们实践操作和动手应用能力，提高了独立思考的能力。感谢所有任课老师和所有同学在这三年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意。 在这次课程设计的撰写中，我得到了许多人的帮助。首先我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次设计的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。其次，