控制系统的PID控制器设计PPT课件

1、MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，MATLAB与控制系统仿真实践，第15章控制系统的PID控制器设计，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，主要内容，原理要点，PID控制器功能分析，1。PID控制器设计实例。这里，p，I和d分别代表比例，积分和微分。这是最早开发的控制策略之一。PID校正装置的主要优点是原理简单、应用方便、参数设置灵活。适用性强。它广泛应用于不同的生产行业或领域。强大的鲁棒性。控制质量对受控对象的变化不太敏感。如果被控对象受到外界干扰，则无需频繁改变控制器的参数或结构。随

2、着科学技术的飞速发展，出现了许多新的控制方法，但pid由于其自身的优势，仍然广泛应用于工业过程控制中。PID控制器的分类PID控制器主要包括比例控制、比例微分控制、积分控制、比例积分控制和比例积分微分控制。PID控制器参数整定方法可分为理论计算和工程整定。根据系统的数学模型，通过理论计算确定控制器的参数。工程设定方法是根据工程经验公式设定控制器参数。这两种方法得到的控制器参数最终需要在实际运行中进行调整和改进。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月，在线交流，答疑，15.1 PID控制器概述，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月

3、，在线交流，答疑，典型的PID控制器结构框图如图15.1所示。从图中可以看出，通过对误差信号进行比例、积分或微分运算并对结果进行加权，PID控制器获得控制器的输出作为控制对象的控制值。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，经过拉普拉斯变换，PID控制器可以描述为：其中KP，KI和KD是常数。设计者的任务是如何恰当地组合各种链接并设计不同的参数，以使系统满足所需的性能指标。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月，在线交流，答

4、疑，15.2PID控制器功能分析，实例1:观察和应用不同比例控制效果到被控对象。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，(一)系统根轨迹图，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，(二)比例控制曲线，图15.1例1程序运行结果，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流、答疑、分析：在控制系统稳态性能指标部分，我们知道通过增加开环放大倍数来实现比例控制可以减小系统的静态误差，提高系统的稳态性能。然而，从根轨迹图可以看出，比例控制也会导致系统的相对稳定性恶化甚至变

5、得不稳定。观察本例中受控对象的根轨迹图，我们可以看到当K18发生时，系统将变得不稳定。当通过增加开环放大器来改善系统的稳态性能时对于被控对象，使用比例微分控制器，应用比例微分控制器后观察控制效果。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线通讯，答疑，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，图15.2例2比例微分控制曲线，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线通信如果比例连杆单独作用于被控对象，系统将无法稳定。采用比例微分控制器后，系统的开环传递函数相当于在负实轴上增加零点，如

6、图15.4所示，使系统稳定并随变化而变化，进一步提高了系统的相对稳定性，抑制了超调。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流、答疑、微分控制在控制器中引入了误差变化的控制，这是一种预测控制，起到了早期校正的作用。然而，正因为如此，缓慢变化的偏差信号不能作用于受控对象。因此，在使用中，不需要单独使用微分控制，而是需要比例微分或比例积分微分控制。另外，差动作用过大，容易引入高频干扰，削弱系统抑制干扰的能力。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年

7、8月。在线交流，答疑，图15.3示例2原系统根轨迹，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，图15.4例2比例微分控制后的根轨迹，MATLAB及控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，15.2.3积分控制功能示例分析，示例3:系统如图1所示。被控对象应用积分控制器后，用积分控制器观察系统静态位置误差的变化；如果将被控对象改为MATLAB并进行控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月，在线交流，答疑，使用积分控制器，可以消除系统的静态速度误差吗？MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出

8、版社，2009年8月。在线交流，回答问题，1。被控对象为零时加积分控制器前后系统的阶跃响应，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，(一)原机组负反馈系统的阶跃响应，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，(二)添加积分控制器后的系统阶跃响应，15.5图3系统，添加积分控制器前后的阶跃响应，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，2。当被控对象为时，加入积分控制器前后系统的阶跃响应：MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年

9、8月。在线交流，答疑，(一)原系统单位斜率输入和单位斜率响应，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，(二)添加积分控制器后的系统阶跃响应，图15.6示例3系统，添加积分控制器前后的阶跃响应，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，分析：原系统、静态位置错误加入积分控制后，系统变得不稳定，无法消除稳态误差。总之，积分控制给系统增加了积分环节和系统类型号。因此，积分控制可以改善系统的稳态性能。但是，对于具有串联集成链路的系统，添加集成链路可能会使系统不稳定。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空

10、航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，15.2.4比例积分控制功能示例分析，示例4:系统如图1所示。被控对象、使用比例积分控制器、应用比例积分控制后观察控制效果。观察取不同值时的控制效果。我们以此为定值，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流、答疑、MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，图15.7例4加比例积分控制曲线，MATLAB及控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答每一个问题，分析：比例积分控制器不仅给系统增加了一个极点，还增加了一个位于负实轴上的零

11、点。与原系统相比，比例积分控制的加入改善了系统类型，有助于消除系统的稳态误差。积分的变化影响积分作用的变化。过强的积分会增加系统的超调量，甚至使系统振荡。在实际应用中，比例积分控制主要用于改善系统的稳态性能。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，15.2.5比例积分微分控制功能示例分析示例5:系统如图1所示。被控对象分别采用比例控制、比例微分控制、比例积分控制和比例积分微分控制。观察它们不同的控制效果。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，1。观察原始系统，如图15.8所示，可以看出系统

12、有很大的稳态误差。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，2。比例控制。从图15.9可以看出，系统的稳态误差减小，响应速度提高，但产生了较大的超调量。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，3。比例微分控制、从图15.10可以看出，过冲减小，但稳态误差仍然存在。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，图15.8示例5原始系统响应曲线，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，图15.9例5比例控

13、制系统响应曲线，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，图15.10例5加比例微分控制响应曲线，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，图15.11例5加比例积分控制响应曲线，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。从图15.11可以看出，系统的稳态误差被消除了，但是响应速度变慢了。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流、答疑、MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，5从图1

14、5.12，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月，在线交流，答疑，图15.12例5加PID控制响应曲线，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月，在线交流，答疑，总之，PID通过积分作用消除误差，而微分作用减少超调。在实际工程中，PID控制器被广泛应用。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，答疑，15.3PID控制器设计实例，从前面几节的分析来看，PID控制器参数整定是控制器设计的核心内容，即确定PID控制器的参数。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。1

15、5 . 3 . 1在线交流、答疑、15.3.1PID控制器参数整定方法，可分为理论计算和工程整定方法。根据系统的数学模型，通过理论计算确定控制器的参数。工程设定方法是根据工程经验公式设定控制器参数。这两种方法得到的控制器参数最终需要在实际运行中进行调整和改进。在工程整定方法中，齐格勒-尼科尔斯法是整定PID参数最常用的方法。本文以此为例介绍了PID控制器的设计。MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，1。齐格勒-尼科尔斯经验设置公式图中所示的S形曲线是许多系统都具有的特性。在实际的控制系统中，特别是对于一些不能用机理方法建模的生产过程，大量的系统可以用这个模型来近似。在此基础上，分别用时域法和频域法调整模型参数。下面的讨论对应于控制器传递函数，MATLAB与控制系统仿真实践，北京航空航天大学出版社，2009年8月。在线交流，回答问题，2。基于时域响应的调优方法基于时域响应有两种调优方法：(1)获取系统时域响应，如图15.13所示，可以确定k、l、t，并进行计算。之后，可以根据表15.1计算不同控制器的参数。(2)将系统设置为只有比例控制的闭环系统，当其增加到时，系统会产生恒定振幅的振荡，如图15.14所示。测量其振荡周期和临界增益后，可根据表15.1计算不同控制