计算机控制课程设计

1、计算机控制课程设计计算机控制课程设计16/16计算机控制课程设计计算机控制技术课程设计题目：PID控制算法的MATLAB仿真研究专业：自动化班级：三班学号：姓名：时间：2012年12月24日-2012年12月29日PID控制算法的MATLAB仿真研究一、课程设计目的和要求1.目的1)经过本课程设计进一步坚固PID算法基本理论以及数字控制器实现的认识和掌握，概括和总结PID控制算法在实质运用中的一些特色；熟习MATLAB语言及其在控制系统设计中的应用，提升学生对控制系统程序设计的能力。要求经过查阅资料，认识PID算法研究现状和研究领域，充分理解设计内容，对PID算法的基本原理与运用进行概括和总结

2、，并独立达成设计实验和总结报告。二、课程设计的基本内容及步骤任务的提出PID控制算法是实质工业控制中应用最为宽泛的控制算法，它拥有控制器设计简单，控制见效好等长处。PID控制器参数的设置能否适合对其控制见效拥有很大的影响，在本课设计中采纳带纯滞后的一阶惯性环节作为系统的被控对象模型，传达函数为KedsG(s)，1Tfs此中各参数分别为：K30，Tf630，d60。MATLAB仿真框图如图1所示。1Kp1z30(z-1)630s+1StepDiscreteKIZero-OrderTransportTransferFcnScopeZero-PoleHoldDelay1(z-1)Addz1KdDis

3、creteZero-Pole1Out1图12.对PID控制算法的仿真研究从以下4个方面张开：（1）PID控制器调理参数KP,KI,KD的整定PID参数的选定对控制系统能否获得好的控制见效是至关重要的，PID参数的整定方法有好多种，可采纳理论整定法（如ZN法）或许实验确立法（比方扩大临界比率度法、试凑法等），也可采纳如模糊自适应参数整定、遗传算法参数整定等新式的PID参数整定方法。在此处采纳扩大临界比率度法对PID进行整定，其过程以下：选择一个足够短的采样周期Ts，因为被控对象中含有纯滞后，且其滞后时间常数为d=60，故可选择采样周期Ts=1。b)令积分时间常数TI=，微分时间常数TD=0，渐渐

4、加大比率系数KP（即减小比例度=1/KP），直到KP=K=0.567时，控制系统发生连续等幅震荡。记下时系k统发生震荡的临界比率度k=1=1.764（即k=1/Kk）和振荡周期Tk=232.4。0.567连续等幅震荡如图2所示。21.510.50-0.51000图2程序：plot(tout,yout)选择控制度为Q=1.05，按下边公式计算各参数：KP=0.63KkTI=0.49TkTD=0.14TkTs=0.014Tk经过仿真可得：Kk=0.567，Tk=232.4，故可得：KP=0.357，TI=113.876，TD=32.536，Ts=3.254Kp=0.0031KI=TIKD=KpTD

5、=11.615按此组控制参数获得的系统阶跃响应曲线如图3所示。图3程序：plot(tout,yout)gridon由响应曲线可知，此时系统固然坚固，可是暂态性能较差，超调量过大，且响应曲线不圆滑。依据以下原则对控制器参数进行调整以改良系统的暂态过程：经过减小采样周期，使响应曲线圆滑。减小采样周期后，经过增大积分时间常数来保证系统坚固。减小比率系数和微分时间常数，以减小系统的超调。改变控制器参数后获得系统的阶跃响应曲线如图4所示，系统的暂态性能获得显然改良。1.41.210.80.60.40.201000图4程序：plot(tout,yout)gridon最后，选择采样周期为Ts=1，PID控制

6、器的控制参数为：Kp=0.25，KI=0.001，KD=3此时，系统的超调量为Mp=27.7%，上涨时间为tr=135，调整时间为ts=445。稳态偏差为ess=0。（2）改变对象模型参数实质中，因为建模偏差以及被控对象的参数变化，都会使得被控对象传达函数参数禁止确。一个性能优秀的控制器应当在系统参数发生变化时依旧拥有优秀的控制性能，既拥有较强的鲁棒性。PID控制器的鲁棒性强弱是由控制器参数确立后系统的坚固裕度决定的。下边经过仿真分析被控对象参数变化时PID控制器的控制见效。i.当被控对象的比率系数增大5%时，系统的单位阶跃响应曲线如图时系统的个暂态性能指标为：5所示，此Mp=29.9%，tr

7、=129，ts=4101.41.210.80.60.40.201000图5程序：plot(tout,yout)gridonholdonplot(tout,yout,r-)相对参数未变时单位阶跃响应而言，系统的超调量增大，上涨时间和调整时间都减小，可是，各性能指标的变化量都比较小。这是因为，被控对象的比率系数增大使得系统的开环增益变大，故而系统响应的迅速性获得提升，但超调量也随之增大。从被控对象的比率系数变化时系统的单位阶跃响应可知，当被控对象的比率系数在必定范围内变化时，对PID控制器的控制见效不会产生太大影响。ii.当被控对象的惯性时间常数增大5%时，系统的单位阶跃响应曲线如图5所示，此时系

8、统的个暂态性能指标为：Mp=26.4%，tr=175，ts=4751.41.210.80.60.40.201000图6程序：plot(tout,yout)gridonholdonplot(tout,yout,r-)相对参数未变时单位阶跃响应而言，被控对象的惯性时间常数增大使得系统的响应速度变慢，故而，使得系统的超调量减小，上涨时间和调整时间都增大。又各性能指标的变化量都比较小，故可知，当被控对象的惯性时间常数在必定范围内变化时，对PID控制器的控制见效不会产生太大影响。iii.当被控对象的纯滞后时间常数增大5%时，系统的单位阶跃响应曲线如图7所示，此时系统的个暂态性能指标为：Mp=31.5%，

9、tr=135，ts=4151.41.210.80.60.40.201000图7程序：plot(tout,yout)gridonholdonplot(tout,yout,r-)相对参数未变时单位阶跃响应而言，纯滞后时间常数增大使得系统的响应速度变快，而，使得系统的超调量增大，上涨时间和调整时间都减小。又各性能指标的变化量都比较小，故可知，当纯滞后时间常数在必定范围内变化时，对PID控制器的控制见效不会产生太大影响。故（3）履行机构非线性对PID控制器控制见效的分析研究实质的控制系统中常常存在非线性，如履行机构的非线性。系统的非线性将会对控制器的控制见效产生影响，下边经过仿真研究非线性对PID控制

10、器控制见效的影响。?在原控制系统仿真框图中控制器输出后加饱和非线性环节，幅值设为0.2.获得图8所示的框图。0.25Kp0.001z30(z-1)630s+1StepDiscreteSaturationKIZero-OrderTransportTransferFcnScopeHoldDelay3(z-1)Addz1KdDiscreteZero-Pole1Out图8在保持其余参数不变的状况下获得其阶跃响应曲线如图9所示。1.41.210.80.60.40.201000图9程序：plot(tout,yout)gridonholdonplot(tout,yout,r-)从响应曲线可知，加入饱和非线性

11、环节后，系统的超调量、上涨时间、调整时间均增大，控制见效变坏。?在原控制系统仿真框图中控制器输出后加死区非线性，死区时间为0.5s，获得图10所示的框图。0.25Kp0.001z30(z-1)630s+1StepDiscreteDeadZoneKIZero-OrderZero-PoleTransportTransferFcnScopeHoldDelay3(z-1)zAdd1KdDiscreteZero-Pole1Out图10在保持其余参数不变的状况下获得其阶跃响应曲线如图11所示。1.41.210.80.60.40.201000图11从响应曲线可知，加入死区非线性对控制见效影响比较大，上涨过程

12、曲线发生畸变，过渡过程时间变长，超调量减小，控制见效变坏。（4）扰动作用对控制见效的影响实质的控制系统中，被控对象和检测通道常常会遇到多种要素的影响，进而对控制见效产生影响，下边分别以加在系统的控制器输出后地点或丈量输出端的脉冲扰动和阶跃扰动为例商讨扰动对控制系统的影响。?控制器输出后地点的扰动对控制见效的影响：?在原控制系统仿真框图中控制器输出后地点加阶跃扰动，扰作用于500s，获得图12所示的框图。幅值为0.01，干0.25Kp0.001z30(z-1)630s+1StepDiscreteKIZero-OrderTransportTransferFcnScopeZero-PoleHoldD

13、elay3(z-1)Addz1KdDiscreteZero-Pole1Step1Out图12在保持其余参数不变的状况下获得其阶跃响应曲线如图13所示。1.41.210.80.60.40.201000图13?在原控制系统仿真框图中控制器输出后地点加脉冲扰动，幅值为0.01，干扰作用于500s，获得图14所示的框图。0.25Kp0.001z30(z-1)630s+1StepDiscreteKIZero-OrderTransportTransferFcnScopeZero-PoleHoldDelay3(z-1)zAdd1KdDiscreteZero-Pole1PulseOutGenerator图14

14、在保持其余参数不变的状况下获得其阶跃响应曲线如图15所示。1.41.210.80.60.40.201000图15由响应曲线可知，系统达到稳态后，控制器输出后地点的扰动信号将使得控制系统的输出产生颠簸，但经过控制器的作用，控制系统经过一个过渡过程后将会恢复本来的坚固状态。丈量输出端的扰动对控制见效的影响：?在原控制系统仿真框图中丈量输出端加阶跃扰动，幅值为0.01，搅乱作用于500s，获得图16所示的框图。0.25Kp0.001z30(z-1)630s+1StepDiscreteKIZero-OrderTransportTransferFcnScopeZero-PoleHoldDelay3(z-

15、1)Addz1KdDiscreteZero-Pole1OutStep1图16在保持其余参数不变的状况下获得其阶跃响应曲线如图17所示。1.41.210.80.60.40.201000图17?在原控制系统仿真框图中丈量输出端加脉冲扰动，幅值为0.01，搅乱作用于500s，获得图18所示的框图。0.25Kp0.001z30(z-1)630s+1StepDiscreteKIZero-OrderTransportTransferFcnScopeZero-PoleHoldDelay3(z-1)zAdd1KdDiscreteZero-Pole1OutPulseGenerator图18在保持其余参数不变的状况下获得其阶跃响应曲线如图19所示。1.41.210.80.60.40.201000图19由响应曲线可知，系统达到稳态后，丈量输出端的扰动信号将使得控制系统的输出产生颠簸，响应出现颠簸，经过一段时间后再次达到稳态，但本来的稳态，由此能够看出PID控制器对丈量输出端的扰动力所不及。三、分析与总结经过上边的仿真研究可知，关于大惯性、大滞后的被控对象采纳PID进行控制时，要取得较好的控制见效，需要合理里设置积分时间常数和微分时间常数，PID控制器没法战胜被