基于Matlab仿真PID校正

1、基于matlab 仿真的pid 校正总结PID 控制器是目前在过程控制中应用最为普遍的控制器,它通常可以采用以下几种形式:比例控制器,0;D I K K =比例微分控制器,0;I K =比例积分控制器,0;D K =标准控制器。下面通过一个例子来介绍PID 控制器的设计过程。假设某弹簧(阻尼系统如图1所示,1,10/,20/M kg f N s m k N m =。让我们来设计不同的P 、PD 、PI 、PID 校正装置,构成反馈系统。来比较其优略。 系统需要满足:(1 较快的上升时间和过渡过程时间;(2 较小的超调;(3 无静差。 图1 弹簧阻尼系统系统的模型可描述如下:控制系统建模与仿真论

2、文( 2011(2(1(X s G s F s M s fs k =+(1、绘制未加入校正装置的系统开环阶跃响应曲线。根据系统的开环传递函数,程序如下:clear;t=0:0.01:2;num=1;den=1 10 20;c=step(num,den,t;plot(t,c;xlabel('Time-Sec'ylabel('y'title('Step Response'grid;系统的阶跃响应曲线如图2 图2 未加入校正时系统的开环阶跃响应曲线(2、加入P 校正装置我们知道,增加p K 可以降低静态误差,减少上升时间和过渡时间,因此首先选择P 校正

3、,也就是加入一个比例放大器。此时,系统的闭环传递函数为:2(10(20p c p K G s s s K =+ 此时系统的静态误差为120p p K K -+。所以为了减少静差,可以选择系统的比例增益为300p K =。这样就可以把静差缩小到0.0625。虽然系统的比例系数越大,静差越小,但是比例系数也不能没有限制地增大,它会受到实际物理条件和放大器实际条件的限制。一般取几十到几百即可。增大比例增益还可以提高系统的快速性。 加入P 校正后,程序如下:clear;t=0:0.01:2;Kp=300;num=Kp;den=1 10 (20+Kp;c=step(num,den,t;plot(t,c;

4、xlabel('Time-Sec'ylabel('y'title('Step Response'gird;加入P 校正后系统的闭环阶跃响应曲线如图3控制系统建模与仿真论文( 2011 图3 加入P校正后系统的闭环阶跃响应曲线从图3中可以看出,系统的稳定值在0.94左右,静差约为0.06。基本符合系统的需要。并且,曲线的形状从过阻尼转变为衰减震荡。系统的快速性也得到了改善。系统的上升时间不超过0.2s,调节时间不超过0.7s。不过转变为衰减震荡后又出现了新的问题。系统的超调量比较大,达到了38%。第一个峰值振荡频率过大,需要寻找新的方法继续校正。(

5、3、PD校正装置设计在P校正后虽然有效地减小了静差、改善了系统的响应速度,但出现了超调过K可以降低大的现象。有自控原理的知识我们知道,加入微分调节,也就是增大D超调量,减小调节时间,对上升时间和静差影响不大。因此,可以选择PD校正,也就是在系统中加入一个比例放大器和一个微分放大器。此时,系统的闭环传函为:2(10(20D pc D p K s K G s s K s K +=+这里仍然选择300p K =,D K 的选择一般为系统震荡频率的8倍左右。所以经过调试我们选择10D K =。编辑程序如下:clear;t=0:0.01:2;Kp=300;Kd=10;num=Kd Kp;den=1 (1

6、0+Kd (20+Kp; c=step(num,den,t;plot(t,c;xlabel('Time-Sec'ylabel('y'title('Step Response'grid;加入PD 校正后系统的阶跃响应曲线如图4: 图4 加入PD 校正后系统的闭环阶跃响应曲线控制系统建模与仿真论文( 2011由图4中可以看出,加入PD 校正,系统的曲线仍然是呈衰减震荡,但衰减次数显著减少,比且超调量也降低了不少。而且对系统的上升时间和静差来说影响不大。剩下的问题就是如何实现无静差。(4、PI 校正装置设计消除静差,可以通过加入积分环节。当在原系统的基

7、础上加入一个比例放大器和一个积分放大器时,系统的闭环传递函数为:32(10(20p Ic p IK s K G s s s K s K +=+加入PI 校正后,系统的阶跃响应曲线如图5所示: 图5 PI 校正后系统的闭环阶跃响应曲线由图可见,加入PI 校正后,系统的稳态值为1,也就是实现了无静差。系统的输出量可以无误差地跟踪设定值的变化。然而,这样的系统调节时间稍长,响应速度不够快。为了满足这些要求,我们接下来引入经典的PID 校正。(5、PID 校正装置设计加入p K 、I K 、D K 。通过调节这三个参数,并使用Matlab 绘图进行逐步校正。此处省略调试过程。最终取450P K =,3

8、00I K =,40D K =。系统的闭环传递函数如下:232(10(20D p Ic D p IK s K s K G s s K s K s K +=+编写程序如下: clear;t=0:0.01:2; Kp=450; Ki=300; Kd=40;num=Kd Kp Ki;den=1 (10+Kd (20+Kp Ki; c=step(num,den,t; plot(t,c;xlabel('Time-Sec' ylabel('y'title('Step Response' grid;所得图形如图6所示:控制系统建模与仿真论文( 2011 图6

9、PID校正后系统的闭环阶跃响应曲线4.1 PID参数整定法概述1.PID参数整定方法(1Relay feedback :利用Relay 的on-off 控制方式,让系统产生一定的周期震荡,再用Ziegler-Nichols调整法则去把PID值求出来。(2在线调整:实际系统中在PID控制器输出电流信号装设电流表,调P值观察电流表是否有一定的周期在动作,利用Ziegler-Nichols把PID求出来,PID值求法与Relay feedback 一样。(3波德图&跟轨迹:在MA TLAB里的Simulink绘出反馈方块图。转移函数在用系统辨识方法辨识出来,之后输入指令算出PID值。132.

10、PID调整方式 图4-1 PID 调整方式如上描述之PID 调整方式分为有转函数和无转移函数,一般系统因为不知转移函数,所以调PID 值都会从Relay feedback 和在线调整去着手。波德图及根轨迹则相反,一定要有转移函数才能去求PID 值,那这技巧就在于要用系统辨识方法,辨识出转移函数出来,再用MA TLAB里的Simulink 画出反馈方块图,调出PID 值。15所以整理出来,调PID 值的方法有在线调整法、Relay feedback 、波德图法、根轨迹法。前提是要由系统辨识出转移函数才可以使用波德图法和根轨迹法,如下图4-2所示。 4.2 针对无转移函数的PID 调整法在一般实际

11、系统中,往往因为过程系统转移函数要找出,之后再利用系统仿真找出PID 值,但是也有不需要找出转移函数也可调出PID 值的方法,以下一一介绍。控制系统建模与仿真论文( 2011 图4-3 Relay feedback调整法如上图4-3所示,将PID控制器改成Relay,利用Relay的On-Off控制,将系统扰动,可得到该系统于稳定状态时的震荡周期及临界增益(T u及K u,在用下表4-4 的Ziegler-Nichols 第一个调整法则建议PID调整值,即可算出该系统之K p、T i、T v之值。表4-4 Ziegler-Nichols第一个调整法则建议PID调整值9Step 1:以MA TL

12、 AB里的Simulink绘出反馈方块,如下图4-5所示。 Step 2:让Relay做On-Of f动作,将系统扰动(On-Off动作,将以±1做模拟,如下图4-6所示。 图4-6Step 3:即可得到系统的特性曲线,如下图4-7所示。 图4-7 系统震荡特性曲线Step 4:取得Tu及a,带入公式3-1,计算出K u。以下为Relay feedback临界震荡增益求法控制系统建模与仿真论文( 2011ad Ku =4公式(4-1a:振幅大小 d:电压值 图4-8 在线调整法示意图在不知道系统转移函数的情况下,以在线调整法,直接于PID 控制器做调整,亦即PID 控制器里的I 值与

13、D 值设为零,只调P 值让系统产生震荡,这时的P 值为临界震荡增益K v ,之后震荡周期也可算出来,只不过在线调整实务上与系统仿真差别在于在实务上处理比较麻烦,要在PID 控制器输出信号端在串接电流表,即可观察所调出的P 值是否会震荡,虽然比较上一个Relay feedback 法是可免除拆装Relay 的麻烦,但是就经验而言在实务上线上调整法效果会较Relay feedback 差,在线调整法也可在计算机做出仿真调出PID 值,可是前提之下如果在计算机使用在线调整法还需把系统转移函数辨识出来,但是实务上与在计算机仿真相同之处是PID 值求法还是需要用到调整法则Ziegler-Nichols

14、经验法则去调整,与Relay feedback 的经验法则一样,调出PID 值。Step 1:以MA TLAB 里的Simulink 绘出反馈方块,如下图4-9所示 图4-9反馈方块图PID方块图内为 图4-10 PID方块图Step 2:将Td调为0,Ti无限大,让系统为P控制,如下图4-11所示。 图4-11Step 3:调整K P使系统震荡,震荡时的K P即为临界增益K U,震荡周期即为T V。(使在线调整时,不用看a求K U,如下图4-12所示。控制系统建模与仿真论文( 2011 图4-12 系统震荡特性图Step 4:再利用Ziegler-Nichols调整法则,即可求出该系统之K

15、p、T i,T d之值。4.3针对有转移函数的PID调整方法 系统反馈方块图在上述无转移函数PID调整法则有在线调整法与Relay feedback调整法之外,也可利用系统辨识出的转移函数在计算机仿真求出PID值,至于系统辨识转移函数技巧在第三章已叙述过,接下来是要把辨识出来的转移函数用在反馈控制图,之后应用系统辨识的经验公式Ziegler-Nichols第二个调整法求出PID值,13如下表4-14所示。 表4-14 Ziegler-Nichols 第二个调整法则建议PID 调整值*为本专题将经验公式修正后之值解一:如下图4-15中可先观察系统特性曲线图,辨识出a 值。 解二:利用三角比例法推导求得 T ”图4-15利用三角比例法求出a 值aK a T L +="aa K aLT L -+=-("K aLT L =-"LT LK a -=" 公式(4-2用