matlab的PID仿真应用

1、课程设计说明书（论文）第I页基于Matlab的积分分离PID控制算法及仿真摘 要MATLAB是一种集数值计算、符号运算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能于一体的非常优秀的图形化语言此次论文运用MATLAB工具求解积分分离PID控制算法及仿真，为解决实际问题提供了很大的方便 .关键词：MATLAB , PID控制，仿真课程设计说明书（论文）第II页1引言 12 PID控制系统设计原理 13 积分分离PID控制算法 24积分分离PID控制算法仿真实例 3总 结 8参考文献 9课程设计说明书（论文）第1页1引言在工程实际中，应用最为广泛的调解器控制规律为比例，积分，微分控制，简称PID控制.PI

2、D控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠和调整方便而成为工业控制的 主要技术之一.当被控对象的结构或参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以应用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确 定，这时应用PID控制技术最为方便.PID控制及其控制器产品已经在工程实际中得到了 广泛的应用，各大公司已经开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器，其中PID控 制器参数的自动调整是通过智能化调整或校正、自适应算法来实现的.2 PID控制系统设计原理在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是PID控制.模拟PID控制系统原理框图如图2.1所示.系统由模拟PID控制器和

3、被控对象组成.图2.1模拟PID控制系统原理框图rin t +课程设计说明书（论文）第1页课程设计说明书（论文）第1页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，即error t 二 rin t - yout tPID的控制规律为error t 亠error t dt 丁。斯0七dt 丿课程设计说明书（论文）第1页课程设计说明书（论文）第1页式中K P为比例系数；Ti为积分时间常数；T D为微分时间常数课程设计说明书(论文)第2页简单来说PID控制校正环节中积分环节的作用是用于消除静差，提高系统的无差度积分作用的强弱取决于积分时间常数 Tl，Tl

4、越大，积分作用越弱，反之则强3积分分离PID控制算法积分分离控制基本思路是：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，提高控制精度其具体实现步骤如下：根据实际情况，人为设定阀值e 0;当error (k卜e时，采用PD控制，可避免产生过大的超调，又使系统有较快的响应；当error (k卜e时，采用PID控制，以保证系统的控制精度.积分分离算法可表示为：ku k = kp error (k匕瓦 error (j T +kd (error (k )error (k 1 Tj兰1, error0,

5、error式中，T为采样时间；一：项为积分项的开关系数，且(k)Ae根据积分分离式PID控制算法得到其程序框图如图3.1所示.课程设计说明书(论文)第3页参数初始化*采入 r i nt )及 yout(k)1r计算偏差值error(k)error(k)乞 ePID控制PID控制计算控制器输出参数更新课程设计说明书(论文)第#页课程设计说明书(论文)第4页图3.1积分分离式PID程序序算法控制框图4积分分离PID控制算法仿真实例设被控对象为一延迟对象，即_80 sG s e 60 s +1采样时间为20s，延迟时间为4个采样时间，即80s，被控对象离散化为y k 二-de n 2yk-1 nu

6、m2uk-53取M=1，采用积分分离式PID控制器进行阶跃响应，对积分分离式 PID控制算法进行改进，采用分段积分分离方式，即根据误差绝对值的不同，采用不同的积分强度课程设计说明书（论文）第7页4.1仿真中指令信号为rin k =40，控制器输出限制在-110,110,其阶跃式跟踪结果如图 所示.取M=2，采用普通PID控制，其阶跃式跟踪结果如图4.2所示.仿真程序如下 clear all;close all;ts=20;sys=tf(1,60,1, in putdelay,80); dsys=c2d(sys,ts,zoh);nu m,de n=tfdata(dsys,v);u1=0;u2=0

7、;u3=0;u4=0;u5=0;y1=0;y2=0;y3=0;error1=0;erroe2=0;ei=0;for k=1:1:200time(k)=k*ts;yout(k)=-de n(2)*y1+ num (2)*u5;rin (k)=40;error(k)=ri n(k)-yout(k);ei=ei+error(k)*ts;M=1;if M=1if abs(error(k)=30&abs(error(k)=20&abs(error(k)=10&abs(error(k)=110u(k)=110;endif u(k)=-110u(k)=-110;endu5=u4;u4=u3;u3=u2;u2

8、=u1;u1=u(k);y3=y2;y2=y1;y 仁yout(k);error2=error1;error仁error(k);endfigure(1);plot(time,ri n,b,time,yout,r);xlabel(time(s);ylabel(ri n, yout);grid;figure(2)plot(time,u,r);xlabel(time(s);ylabel(u);grid;在matlab里运行得到结果如下：40图4.1积分分离式PID阶跃跟踪图4.2普通PID阶跃跟踪由仿真结果可看出，采用积分分离方法控制，效果有很大的改善.值得注意的是，为 保证引入积分作用后系统的稳定

9、性不变，在输入积分作用时比例系数kp可作相应变化 此外，-值应根据具体对象及要求而定，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.如果只进行PD控制，则会使控制出现余差.PID控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点，但是在实际的应用中，许 多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点.在噪声、负载扰 动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随着时间和工作环境的变化而变化.这就 要求在PID控制中，不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型，并且 PID参数能够课程设计说明书（论文）第7页在线调整，以满足实时控制的要求课程设计说明书（论文）第8页

10、总结此次论文不仅使我认识到了 MATLAB的强大用途及涉及的领域之广，重要的是通 过对积分分离PID算法及仿真的相关研究，使我对仿真又有了新的理解.这次论文我主要是应用数学里面的积分分离的知识以及MATLAB的一些知识，并使用MATLAB语言最终将它们综合起来才完成了这个课题.综合论文让我把以前学习到的知识得到巩固和进一步的提高认识，对已有知识有了更进一步的理解和认识，再次，虽然我在论文中碰到了很多的问题，但通过查阅相关书 籍，资料，并通过自己钻研，特别是得到了周老师的谆谆教导，周老师给予了我很大的 帮助，不仅给了我思路上的开阔，还让我认识到了自己对以前所学知识的不足方面而且，通过这次论文写作，我也发现了自身的很多不足之处，在以后的学习中，我会不断