单位负反馈系统的PID控制器设计及参数整定讲诉

1、单位负反馈系统的 PID 控制器设计及参数整定目录一. PID控制概述及研究现状1二 PID 控制在液压系统中的应用 2三.项目分析与 PID 参数整定设计 3PID控制概述及研究现状:这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和 比较后，如何才能更好地纠正系统。PID (比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件， 因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I )和微分单 元(D)组成。其输入 e (t )与输出u (t )的关系为u(t)=kpe(

2、t)+1/TI/ e(t)dt+TD*de(t)/dt式 中积分的上下限分别是 0和t因 此 它 的 传 递 函 数 为：G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TI*s)+TD*s其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中 只需设定三个参数(Kp, Ti和Td)即可。在很多情况下， 并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元， 但比例控制单元是必不可少的。首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或 时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随 时间变化的系统，这样PID就可控制了。其次，PID参数较

3、易整定。也就是，PID参数Kp, Ti和Td可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性 变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进，下面两 个改进的例子。在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是 很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采 用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理 PID参数 整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。在一些情况下针对特定的系统设计的 PID

4、控制器控制得 很好，但它们仍存在一些问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了 PID参数的重新整定 在线寻找和保持好过程模型是较难的。闭环工作时，要求在 过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于 模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引 起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受 到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应 转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析 方法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是

5、指根 据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的 复杂过程时，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点，PID控制器是最简单的有时却是最好 的控制器。二. PID控制在液压系统中的应用由于PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等 先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器，在工业领域得 到广泛应用。在液压领域，PID控制技术同样得到了广泛应用。以液压伺服系统为例，模糊PID控制就得到了充分应用。传统PID （比例、积分和微分）控制原理简单，使用方便， 适应性强，可以广泛应用于各

6、种工业过程控制领域。但是PID控制器也存在参数调节需要一定过程，最优参数选取比较麻 烦的缺点，对一些系统参数会变化的过程，PID控制就无法有效地对系统进行在线控制。不能满足在系统参数发生变化 时PID参数随之发生相应改变的要求，严重的影响了控制效 果。本文介绍了基于车载伺服系统的模糊PID控制，它不需要被控对象的数学模型，能够在线实时修正参数，使控制器 适应被控对象参数的任何变化。并对其进行仿真验证金属加 工网，结果表明模糊PID控制使系统的性能得到了明显的改善。所谓模糊PID控制器，即利用模糊逻辑算法并根据一定的 模糊规则对PID控制的比例、积分、微分系数进行实时优化 以达到较为理想的控制效

7、果。模糊PID控制共包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等几个重要组成部分。计算机根据所设定的输入和反馈信号，计算实际位 置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化 ec，并根据模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出PID控制器的比例、积分、微分系数。三. 项目分析与PID参数整定设计3.1项目分析开环传递函数G S二飞152，在不加入任何控制器的s“20s2 +100S情况下，对于给定的单位阶跃输入信号的作用下，通过Simuli nk进行输出曲线仿真，其系统框架原理图如下：ITunifH- FnrT* ft lrtpiDtSnipe输出响应曲线为：无控制器情况下系

8、统的单位阶跃输入响应曲线由上图可知，在不加入任何控制器的情况下，系统的反应时间长 达35秒左右，灵敏度很差（响应慢），但没有出现超调量，几乎 没有稳态误差。3.2PID参数整定：3.2.1比例系数Kp对系统的影响：通过设置积分系数和微分系数为零，调节不同Kp值的大小，得到一系列曲线如下图：比例系数Kp大小对系统性能的影响由上图可知：不同比例系数Kp对系统稳态特性的影响为：加大比例控制Kp,在系统稳定的情况下，可以减小稳态 误差，提高控制精度，但不能完全消除稳态误差； 不同比例系数Kp对动态特性的影响为：Kp加大使系统的动作灵敏，速度加快。Kp偏大时，振荡 次数增多，调节时间增长。Kp太大时，系统会趋于不稳定， Kp太小时，又会使系统动作缓慢。3.2.2比例系数Kp对系统的影响：通过只设置微分系数为零，在 Kp=5 0的前提下，调定 不同的积分系数，即加入PI控制器时，得到一系列曲线如:t/sec由上图可知，(1) 积分常数Ki对系统的稳态特性的影响为：可以消除稳 态误差，提高系统的控制精度。(2) 对系统的动态特性的影响为：会使系统的稳定性下降，Ti太小会使系统不稳定，Ti偏小，会使系统振荡次数增多，Ti 太大，则对系统的性能影响减小，Ti合适时，系统的过渡特性比 较理想。3.2.3PID参数综合选择：下图为加入PID控制器时，初步设置积分系数