PID控制系统设计

1、PID 工艺流程图的说明与介绍实验四 PID 的控制作用 实验目的 1. 了解 PID 控制器中 P，I ，D三种基本控制作用对控制系统性能的影响。2. 进行 PID 控制器参数工程整定技能训练。 实验系统说明 图 2-1.PID 控制作用实验系统受PI在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是PID 控制。 PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。PID 控制规律写成传递函数的形式为式中， K P 为比例系数； K i 为积分系数； K d 为微分系数； TiK p为积分时间常数； TdK d为K iK p微分时间常数；简单来说，PID 控制各校正环节的作用如

2、下：（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti ， Ti 越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率） ，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。二、实验使用仪器设备（名称、型号、技术参数等）计算机、 MATLAB软件三、实验内容 ( 步骤）1、在 MATLAB命令窗口中输入“ simulink ”进入仿真界面。2、构建 PID 控制器：（1）新建 S

3、imulink模型窗口（选择“ File/New/Model ”）, 在SimulinkLibraryBrowser中将需要的模块拖动到新建的窗口中，根据PID 控制器的传递函数构建出如下模型：各模块如下：MathOperations 模块库中的 Gain 模块，它是增益。拖到模型窗口中后，双击模块，在弹出的对话框中将 Gain分别改为 Kp、Ki 、Kd，表示这三个增益系数。页脚内容 1PID 工艺流程图的说明与介绍Continuous 模块库中的 Integrator模块，它是积分模块； Derivative模块，它是微分模块。MathOperations 模块库中的 Add 模块，它是加

4、法模块，默认是两个输入相加，双击该模块，将 ListofSigns 框中的两个加号（ +）后输入一个加号（ +），这样就改为了三个加号，用来表示三个信号的叠加。Ports&Subsystems 模块库中的 In1 模块（输入端口模块）和Out1 模块（输出端口模块） 。（2）将上述结构图封装成PID 控制器。创建子系统。选中上述结构图后再选择模型窗口菜单“Edit/CreatSubsystem”封装。选中上述子系统模块，再选择模型窗口菜单“Edit/MaskSubsystem ”根据需要，在封装编辑器对话框中进行一些封装设置，包括设置封装文本、对话框、图标等。本次试验主要需进行以下几项

5、设置：Icon （图标）项：“ Drawingcommands”编辑框中输入“ disp( PID ) ”，如下左图示： Parameters( 参数 ) 项：创建 Kp,Ki,Kd 三个参数，如下右图示：至此， PID 控制器便构建完成，它可以像 Simulink 自带的那些模块一样，进行拖拉，或用于创建其它系统。3、搭建一单回路系统结构框图如下图所示：所 需模 块及 设置 ： Sources模块库中Step模 块； Sinks模 块库 中 的Scope模块 ；CommonlyUsedBlocks 模块库中的Mux 模块； Continuous模块库中的Zero-Pole模块。 Step 模

6、块和Zero-Pole 模块设置如下：4、构建好一个系统模型后，就可以运行，观察仿真结果。运行一个仿真的完整过程分成三个步骤：设置仿真参数、启动仿真和仿真结果分析。 选择菜单“Simulation/ConfiurationParameters”，可设置仿真时间与算法等参数，如下图示：其中默认算法是 ode45（四 / 五阶龙格 - 库塔法），适用于大多数连续或离散系统。5、双击 PID 模块，在弹出的对话框中可设置PID 控制器的参数Kp,Ki,Kd ：设置好参数后，单击“ Simulation/Start ”运行仿真，双击 Scope 示波器观察输出结果，并进行仿真结果分析。比较以下参数的结

7、果：（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4（2）Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.5（3）Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.76、以 Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4 这组数据为基础，改变其中一个参数，固定其余两个，以此来分别讨论 Kp,Ki,Kd 的作用。7、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线页脚内容 2PID 工艺流程图的说明与介绍（1）P 调节 Kp=8（2）PI 调节 Kp=5,Ki=2（3）PD调节 Kp=8.5,Kd=2.5（4）PID 调节 Kp=7.5,Ki=5,Kd=3程序及运行结果如下（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.42）Kp=6.7,Ki

8、=2,Kd=2.5（3）Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.76、以 Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4 这组数据为基础，改变其中一个参数，固定其余两个，以此来分别讨论 Kp,Ki,Kd 的作用。先改变 kp 的值，其余两个不变，分为两组，第一组是 kp 的值小于 8.5 ，第二组是 kp 的值大于 8.5. 此处的值都是任意取得， kp1=7.2.kp2=9.4（ 1）Kp=7.2Ki=5.3,Kd=3.4（ 2）Kp=9.4,Ki=5.3,Kd=3.4改变 ki 的值，其余两个不变，分为两组，第一组是 ki 的值小于 5.3 ，第二组是 ki 的值大于 5.3. 此处的值都是任意取

9、得， ki1=4.7.ki2=6.1（ 3）Kp=8.5,Ki=4.7,Kd=3.4（ 4）Kp=8.5,Ki=6.1,Kd=3.4改变 kd 的值，其余两个不变，分为两组，第一组是 kd 的值小于 3.4 ，第二组是 kd 的值大于 3.4. 此处的值都是任意取得， kd1=2.6.kd2=4.7（ 5）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=2.6（ 6）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=4.77、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线（ 1）P 调节 Kp=8（2）PI 调节 Kp=5,Ki=2（3）PD调节 Kp=8.5,Kd=2.5（4）PID 调节 Kp=7.5,Ki=5,Kd=3五结论页脚内容 3PID 工艺流程图的说明与介绍总结 PID 调节的基本特点pid 调节即为比例，积分，微分调节。Kp 为比例参数，主要是用于快速调节误差；Ki 为积分参数，主要是用于调节稳态时间；Kd 为微分参数，主要是用于预测误差趋势，提前修正误差。随着 kp,ki,kd减小，系统反应速度变慢，超调量逐渐减小，系统调整时间也在变小。使 kd 变化其余两个值不变，可看出随着 kd 的增加，超调量变小，震荡次数变少，调整时间变短