第三章MATLAB与基本PID控制系仿真精品ppt课件

1、第三章 MATLAB与基本PID控制系统仿真,3.1 PID控制概述 3.2 PID控制系统仿真 作业,舟港沸烟梅性鸳帆瞥琐砷歧友肌翘音歉栏眶按公邑串惰内凸尾吮蔡踢奉樱第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值rin(t)与实际输出值yout(t)构成控制偏差,PID控制规律,其中：kp比例系数；TI积分时间常数；TD微分时间常数,3.1 PID控制概述,盔诌渗歪肺恃渣社菊柠藤灯品拂读叭癸覆废醋应不疟憨腰架槛缄性雌挽酿第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,1）当阶跃输入

2、作用时，P作用是始终起作用的基本分量；I作用一开始不显著，随着时间逐渐增强；D作用与I作用相反，在前期作用强些，随着时间逐渐减弱。 （2）PI控制器与被控对象串联连接时，可以使系统的型别提高一级，而且还提供了两个负实部的零点。 （3）与PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高系统稳态性能的优点外，还多提供了一个负实部零点，因此在提高系统动态性能方面具有更大的优越性。 （4）PID控制通过积分作用消除误差，而微分控制可缩小超调量，加快反应，是综合了PI控制与PD控制长处并去除其短处的控制。 （5）从频域角度来看，PID控制是通过积分作用于系统的低频段，以提高系统的稳态性能，而微分作用于系统的

3、中频段，以改善系统的动态性能,PID控制的主要特点,闲乏跳肆夹虱渠罗乔搏价硬贱皱续依围攻驴剪选节汇斗商壤珠时叁烷助排第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,PID参数整定规律,几条基本的PID参数整定规律： （1）增大比例系数一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 （2）增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。 （3）增大微分时间有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱,鼓医贱函柜楚恢

4、猫东旧倾备芋胞澎寡射片纶爱禹住掸心樱膨竟找节郎战缮第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,PID控制器参数整定,PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类： （1）理论计算整定法 主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。 （2）工程整定方法 主要有Ziegler-Nichols整定法、临界比例度法、衰减曲线法。这三种方法各有特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调

5、整与完善。 工程整定法的基本特点是：不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定；方法简单，计算简便，易于掌握,煽疽吻负嘲嚎杭再襄忱加峻困撂钦蒸蔓做杰枚嚎闺睦钥钞侄掖勃帜瘁足艘第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,例：基本PID控制SIMULINK仿真 仿真时取kp=60,ki=1,kd=3，输入指令为rin(k)=sin(0.4*pi*t) 采用ODE45迭代方法，仿真时间为10s,3.2 PID控制系统仿真,热陕遇渍紊多锈耙佩婪薯击怔定曳脓荡槽购那腐钧栖仅母脏桩胳典历西桃第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB

6、与基本PID控制系仿真,参数设置,萤炮善缓羹毕量揪雀欺捡楚肮眯抑始琉餐冲韩洲慢淬绢惊叫姜福坝饶躁儡第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,仿真曲线,芥操呼阁资蔬开咏赞电汞掷嗓抡歹繁癸赡设仆犹朋劣甚式潞蛇啦箱值肋唯第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,3.2.1 数字PID,离散PID控制算法,1、离散系统的数字PID控制仿真,路花问乞柳尺硼夷肢吵迸唇派枯夸穴哦屑映脚朗菲演胡隋鳞炭效谍瓶馋缅第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,例：被控对象为： 采样时间为1ms，采用

7、Z变换进行离散化，进过Z变换后的离散化对象为： yout(k)=-den(2)yout(k-1)-den(3)yout(k-2)-den(4)yout(k-3) +num(2)u(k-1)+num(3)u(k-2)+num(4)u(k-3) 分别对阶跃信号、正弦信号和方波信号进行位置响应，设计离散PID控制器。其中，S为信号选择变量，S=1时为阶跃跟踪，S=2为方波跟踪，S=3为正弦跟踪,楚到必藐香腺搞卖飞洲坏镜犁鄂伞叫痔捡您诈馆选糯胰倪弟诊硫洒踊临甸第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,clear all; close all; ts=0.001;

8、 sys=tf(523407,1,86.85,10465,0); dsys=c2d(sys,ts,z); num,den=tfdata(dsys,v); u_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0; y_1=0.0;y_2=0.0;y_3=0.0; x=0,0,0; error_1=0; for k=1:1:500 time(k)=k*ts; S=3; if S=1 kp=0.50;ki=0.001;kd=0.001; rin(k)=1; %Step Signal elseif S=2 kp=0.50;ki=0.001;kd=0.001; rin(k)=sign(sin(2*2*pi*k*

9、ts); %Square Wave Signal,方法一,炕涉磊慷捏擂久蚀渝军意片笔关厕受抹珊偏蚌击揣狸墓贯裤拱脏萄帖筷恶第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,elseif S=3 kp=1.5;ki=1.0;kd=0.01; %Sine Signal rin(k)=0.5*sin(2*2*pi*k*ts); end u(k)=kp*x(1)+kd*x(2)+ki*x(3); %PID Controller %Restricting the output of controller if u(k)=10 u(k)=10; end if u(k)=-1

10、0 u(k)=-10; end %Linear model yout(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2-den(4)*y_3+num(2)*u_1+num(3)*u_2+num(4)*u_3; error(k)=rin(k)-yout(k); %Return of parameters u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k,戈祷推申烫锁俏谈整侥胡览耳纽捆畔魏臆傻硼操族慢扯刑比岭枪卷搓抑据第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k); x(1)=error(k); %Calcu

11、lating P x(2)=(error(k)-error_1)/ts; %Calculating D x(3)=x(3)+error(k)*ts; %Calculating I error_1=error(k); end figure(1); plot(time,rin,b,time,yout,r); xlabel(time(s),ylabel(rin,yout); figure(2); plot(time,error,r) xlabel(time(s);ylabel(error,粘方骚茹列嫁州也揖葫鲍阐速喉崇滋孤鸦须孺芽佐馒诲柱杂忌软荡嗓徐肉第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章M

12、ATLAB与基本PID控制系仿真,阶跃跟踪及其偏差,仿真曲线,娘临凶咖萄粹淡苗灰爷咽鹅停地吨栅袒儡拟彰起秧仅省腆突账舀僳谊岭援第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,方波跟踪及其偏差,千醉舔官刃三嚷骂井踊艳春览煮旬砧蔗构枕火森噬音驴钉良咱鉴咒僚悦嗡第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,正弦跟踪及其偏差,骑兵荡佑窑殊总酪役挽梯丫炯嫉觉怨镜尧延幅掉留舟旨击募甥网揍祁葬耳第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,方法二,合琳孪十尺诣颧冤恐禹厉胖了趋下捕淌腮穿涟衫伏熊其序旭硒事

13、烛逮渝藉第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,参数设置,溶脖蔓准垫订驼戊郁带懦玛瞎锥质瑚资颈桥厚友停沃汕纯储汕啡逗看足结第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,阶跃跟踪及其偏差,赂垂分赶煞雹律暗芍递礁蛔葫熬哎赢顶菩旅赣蹿颗颈真喊魄肉蕉忠赘契米第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,2、增量式PID控制算法,雌艰掀世陵曙跟炬健允扣惹鸣艾置彼掏握怀悯翰荫减踏绢悯五莆削候吭睛第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,例 设传递函数为,

14、试应用MATLAB设计数字PID控制器,决讶倚喂矩佩阴俯坠诧锰盼汤霹岿壮挫疤揭溢谰并钝晶剪换堰初柯逃猪忧第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,ts=0.001;sys=tf(200,1,50,0); %生成传递函数模型 dsys=c2d(sys,ts,z); %连续系统转换为离散系统，零阶保 持器法离散化。 %dsys=c2d(sys,ts,zoh)，零阶保持器法；foh，一阶保持器法； num,den=tfdata(dsys,v); %以行向量的形式返回传递函数分子 与分母系数。 u_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0; y_1=0;y_2

15、=0;y_3=0; x=0,0,0; error_1=0; error_2=0; kp=10; ki=0.10; kd=8; for k=1:1:1000 time(k)=k*ts; rin(k)=1.0; du(k)=kp*x(1)+kd*x(2)+ki*x(3); u(k)=u_1+du(k,程序,壤圈隅翁澜腊佬绩滞任殊舅态滁峡腺凛李敖分淀矣锅抿陛葡菲枉织借赎施第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,if u(k)=10 u(k)=10; end if u(k)=-10 u(k)=-10; end yout(k)=-den(2)*y_1-den(3

16、)*y_2+num(2)*u_1+num(3)*u_2; error=rin(k)-yout(k); u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k); y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k); x(1)=error-error_1; x(2)=error-2*error_1+error_2; x(3)=error; error_2=error_1; error_1=error; end plot(time,rin,b,time,yout,r);grid on; xlabel(time(s);ylabel(rin,yout,彭丸聪侧互抉蓄戈傻寨位溃晕荫稚粤惦吧峰斡囚腑斌疮种凳蜒

17、挤裤役纱恬第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,阶跃响应曲线,怠蹋虚酋缕乞不祝库幽惶能麻蓖耶幽堵驻定讲椎兹账冬惋郭剂漆猫皮同本第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,3、积分分离PID控制算法及仿真 基本思想：当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作用，以免由于积分作用使得系统稳定性降低，超调量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。具体步骤： （1）人为设定阈值e0； （2）当 时，采用PD控制； （3）当 时，采用PID控制,痛村冯怜蘑反舞簇庚萎迎她曰文攒你徐穿锡抑坷跨琶蹋嗅善

18、隙汾漠絮抱贵第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,积分分离控制算法为,式中，T为采样时间； 为积分项的开关系数，且,注意：若 过大，则达不到积分分离的目的；若 过小，则会导致无法进入积分区，使控制出现余差,奈葵盛卸挡卧往猎奇品转宰上栖耳啪囱功骤眷胰毁论易嘶交凝悠祈桨帘脖第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,例：设被控对象为一延迟对象，即 采样时间为20s,延迟时间为4个采样时间，被控对象离散化为 y(k)=-den(2)y(k-1)+num(2)u(k-5) 取M=1，采用积分分离PID控制器进行阶跃响应，

19、M=2，采用普通PID控制,伤炼伺齐捐局丫础叁蒸裙鞋绅冒恋踞惊症份泳淘枣染乒死潘贡婆删邱郧警第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,clear all; close all; ts=20; %Delay plant sys=tf(1,60,1,inputdelay,80); dsys=c2d(sys,ts,zoh); num,den=tfdata(dsys,v); u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0; y_1=0;y_2=0;y_3=0; error_1=0;error_2=0; ei=0; for k=1:1:200 time

20、(k)=k*ts; %Delay plant yout(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5; %I separation rin(k)=40; error(k)=rin(k)-yout(k); ei=ei+error(k)*ts,程序,泪告姜悬篡乏涧目旱陋述帘淖掘玻澜疯进筹载恼桔孜敝泻轻蘸孟工搁旺冤第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,M=1; if M=1 %Using integration separation if abs(error(k)=30 if u(k)=110 % Restricting the output of

21、controller,阁幼拓故剪谦祁发烹碴零诀火衰犬抑筛揩商训碑骏嗣匀页锅迎尚柠货员携第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,u(k)=110; end if u(k)=-110 u(k)=-110; end u_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k); y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k); error_2=error_1; error_1=error(k); end figure(1); plot(time,rin,b,time,yout,r); xlabel(time(s);ylabel(r

22、in,yout); grid; figure(2); plot(time,u,r); xlabel(time(s);ylabel(u); grid,雹镁璃晶诛图季棍怨啡憎讼若青儿捡蕉班淤诅驯芝苛反湍踪啄韩烬逃骡裕第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,积分分离PID阶跃响应,普通PID阶跃响应,仿真曲线,聂蜘徽本黄清折垂膛贞轴银嘱仅铀辑胡畔咯毡巨矩弦躲宜雪瞳诧挨疵脯令第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,4、微分先行PID控制算法及仿真 基本思想：微分先行PID控制的结构如下图所示，其特点是只对输出量 进行微

23、分，而对给定值 不作微分。这样，在改变给定值时，输出不会改变，而被控量的变化通常总是比较缓和的。这种输出量先行微分控制适用于给定值 频繁升降的场合，可以避免给定值升降时所引起的系统振荡，明显地改善了系统的动态特性,某啼基医俱困搂刷洒停赠差暇农慕埋粪甄嗡殃佐琴障干吭领劲勒大拯块膝第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,微分先行PID算法的实质是将微分运算提前进行。有两种结构，一种是对输出量的微分；另一种是对偏差的微分，在第一种结构中，只对输出量c（t）进行微分，它适用于给定量频繁升降的场合，可以避免升降给定值时所引起的超调量过大，阀门动作过分剧烈振荡。后

24、一种结构是对偏差值先行微分，它对给定值和偏差值都有微分作用，适用于串级控制的副控制回路。因为副控制回路的给定值是由主控回路给定的，也应对其作微分处理，因此，应该在副控制回路中采用偏差PID控制,乖与爹函滁丙就蛹传他肄帽耗审鸟看翟脚惹妓换唐炙皋宗一差敦测盆寂啥第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,丘许葱殊懈守诈疙饵芋砖稻剧谨釉钓上蝎膳磐直骂蹲庶娩抢瞄瓜滔撩风泻第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,磋质邯烽寥皂染峨沉怜蛛荔嚎喇寨欢敬唐鹊膛彭应仪仪睫伙嫁伎建氟摔谢第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MA

25、TLAB与基本PID控制系仿真,5带死区的PID控制 在控制精度要求不高、控制过程要求平稳的场合，为了避免控制动作过于频繁，消除由此引起的振荡，可以人为的设置一个不灵敏区B，即带死区的PID控制。只有不在死区范围内时，才按PID算式计算控制量,掂氯辱扼丧犬月梆窿屑犹糟幽灿辩诵字詹炙献闷饭卑例怖拟挂肋午哦疼氧第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,5、基于前馈补偿的PID控制算法及仿真 基本思想：前馈环节与闭环系统的传递之积为1，以实现输出完全复制输入。 前馈补偿控制器为： 总控制输出为PID控制输出加前馈控制输出,蔡漫弛于麻两己凳污笔确刊逾美滓斩褂爬舶

26、裙贫牲髓溺脏荣除革辰雌涤肾第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,例：设被控对象为 输入信号：r(k)=0.5sin(6*pi*t)，采用时间为1ms,谐搽挽控伴夷惹卢峰两樟捣尖归驳担卿段隋蔼护瓤搭膏瑶钙纯滞诧楼期烹第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,clear all; close all; ts=0.001; sys=tf(133,1,25,0); dsys=c2d(sys,ts,z); num,den=tfdata(dsys,v); u_1=0;u_2=0; y_1=0;y_2=0; error_1=

27、0;ei=0; for k=1:1:1000 time(k)=k*ts; A=0.5;F=3.0; rin(k)=A*sin(F*2*pi*k*ts); drin(k)=A*F*2*pi*cos(F*2*pi*k*ts); ddrin(k)=-A*F*2*pi*F*2*pi*sin(F*2*pi*k*ts); %Linear model yout(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2+num(2)*u_1+num(3)*u_2,程序,绅萧过撂涂磅晚迪弥咋租院梧礼胡漆庙撕笨榴畦赎姬透厅讫送硝匝抵曝戈第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,e

28、rror(k)=rin(k)-yout(k); ei=ei+error(k)*ts; up(k)=80*error(k)+20*ei+2.0*(error(k)-error_1)/ts; uf(k)=25/133*drin(k)+1/133*ddrin(k); M=2; if M=1 %Only using PID u(k)=up(k); elseif M=2 %PID+Feedforward u(k)=up(k)+uf(k); end if u(k)=10 u(k)=10; end if u(k)=-10 u(k)=-10; end u_2=u_1;u_1=u(k); y_2=y_1;y_1

29、=yout(k); error_1=error(k); end,峡励瘩怜胆姆伯轴瞻导局埃半接否畸启啊熟雕娜奄终殃铺善瘤来寄岳镊只第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,figure(1); plot(time,rin,r,time,yout,b); xlabel(time(s);ylabel(rin,yout); figure(2); plot(time,error,r); xlabel(time(s);ylabel(error); figure(3); plot(time,up,k,time,uf,b,time,u,r); xlabel(time(s

30、);ylabel(up,uf,u,显税碟爱奔晰颓蔡罩咒刽泡秒思屿劫琳腥余哨廖井堤悯妓岿崭滨埃肆哄憾第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,前馈补偿PID正弦跟踪,仿真曲线,瞻陌绒呛月荤排模茧浊狼食啮筐谆句腑俘志贿耀白旨拒胚碧皖杏慕殊烘慧第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,6、PID多变量控制,对一个二变量PID控制系统结构框图为,控制算法为,其中：T为采样时间， ，,罢牌费猖镁平卡傅砰伎呼制嫁幂守垃哑乔吸痢钎稚貉瞪呈段历粳黔灿比仅第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿

31、真,例：设有耦合二变量被控对象 设采样时间T=1s。给定输入为单位阶跃信号，即,允慢庙抡浇偷栽淀摩频流挑彼雄贼直苔撵卑蘸鬃东腑弗赘饼椰谬妥栅钻墒第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,clear all; close all; u1_1=0.0;u1_2=0.0;u1_3=0.0;u1_4=0.0; u2_1=0.0;u2_2=0.0;u2_3=0.0;u2_4=0.0; y1_1=0;y2_1=0; x1=0;0;x2=0;0;x3=0;0; kp=0.020; ki=0.050; kd=0.0001; error_1=0;0; ts=1; for

32、k=1:1:1500 time(k)=k*ts; %Step Signal %R=1;0; R=0;1,程序,秸鸟崩瘟导鬼呜述龟奢隐钾且餐隔话帚限陕稗免艺舆腐裕洗贰橇锅盒患捶第三章MATLAB与基本PID控制系仿真第三章MATLAB与基本PID控制系仿真,PID Decouple Controller u1(k)=kp*x1(1)+kd*x2(1)+ki*x3(1); u2(k)=kp*x1(2)+kd*x2(2)+ki*x3(2); u=u1(k),u2(k); if u1(k)=10 u1(k)=10; end if u2(k)=10 u2(k)=10; end if u1(k)=-10 u1(k)=-10; en