PID控制參數(shù)對系統(tǒng)性能影響的分析

1、計算機(jī)控制技術(shù)課程三級項目某二階系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計及參數(shù)整定報告人： 劉寶指導(dǎo)教師：劉思遠(yuǎn)燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電控制系2012年9月23日目錄計算機(jī)控制技術(shù)課程三級項目11.1 PID控制的應(yīng)用現(xiàn)狀31.2 PID控制器各個參數(shù)對系統(tǒng)系能的影響31.2.1 比例系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響31.2.2 積分系數(shù)K1對系統(tǒng)性能的影響41.2.3 微分系數(shù)K2對系統(tǒng)性能的影響51.3 對給定的系統(tǒng)進(jìn)行PID控制調(diào)節(jié)61.4 收獲與感想81.1 PID控制的應(yīng)用現(xiàn)狀在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它

2、以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。從理論角度而言，PID控制是20世紀(jì)40年代開始的調(diào)節(jié)原理的一種典型代表。PID控制再世紀(jì)控制工程中應(yīng)用最廣，據(jù)不完全統(tǒng)計，在工業(yè)過程控制、航空航天控制等領(lǐng)域中，PID孔的應(yīng)用占80%以上。盡管PID控制已經(jīng)寫入經(jīng)典教科書，然而由于PID控制的簡單與良好的應(yīng)用效果，人們?nèi)栽诓粩嘌芯縋ID控制器各種設(shè)計方法（包括各種自適應(yīng)調(diào)節(jié)、最優(yōu)化方法）和未來潛力。由于液壓控制系統(tǒng)大功率、高控制精度、技術(shù)成熟等特點，在要求精度高的重型機(jī)械機(jī)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)實工業(yè)中比例伺服閥與PID控制器的結(jié)合，使得液壓控制對于位移、速度、壓力等的

3、控制獲得更加良好的效果。1.2 PID控制器各個參數(shù)對系統(tǒng)系能的影響1.2.1 比例系數(shù)對系統(tǒng)性能的影響（1）對系統(tǒng)的動態(tài)性能影響：加大，將使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，偏大時，系統(tǒng)振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時間加長；太小又會使系統(tǒng)的響應(yīng)速度緩慢。的選擇以輸出響應(yīng)產(chǎn)生4:1衰減過程為宜。（2）對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響：在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，加大可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。因此的整定主要依據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)性能。調(diào)節(jié)的大小對系統(tǒng)動態(tài)性能影響如圖。由圖可見，當(dāng)p加大時，可是系統(tǒng)動作靈敏，速度加快，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將減小，卻不能完全消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Kp偏大時，系統(tǒng)的震蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時間增長。Kp

4、太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。1.2.2 積分系數(shù)K1對系統(tǒng)性能的影響 積分控制通常和比例控制或比例微分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成PI控制或PID控制。（1）對系統(tǒng)的動態(tài)性能影響：對于合適的k1值，可以減小系統(tǒng)的超調(diào)量，提高了穩(wěn)定性，引入積分環(huán)節(jié)的代價是降低系統(tǒng)的快速性。（2）對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響：積分控制有助于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度，但若k1太大，系統(tǒng)可能會產(chǎn)生震蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由此可見，積分作用能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，系統(tǒng)積分作用的引入通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，K1太大時系統(tǒng)將不穩(wěn)定，K1偏大時系統(tǒng)的震蕩次數(shù)較多。1.2.3 微分系數(shù)K2對系統(tǒng)性能的影響（1）對系統(tǒng)的動態(tài)性能

5、影響：微分系數(shù)K2的增加即微分作用的增加可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，如減少超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時間等。適當(dāng)加大比例控制，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但K2值偏大或偏小都會適得其反。另外微分作用有可能放大系統(tǒng)的噪聲，降低系統(tǒng)的抗干擾能力。（2）對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響：微分環(huán)節(jié)的加入，可以在誤差出現(xiàn)或變化瞬間，按偏差變化的趨向進(jìn)行控制。它引進(jìn)一個早期的修正作用，有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。微分控制經(jīng)常與比例控制或積分控制聯(lián)合使用。引入微分控制可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，當(dāng)K2偏小時，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時間也較長；當(dāng)K2合適時可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。1.3 對給定的系統(tǒng)進(jìn)行PID控制調(diào)節(jié)通過改變不同的

6、參數(shù)，便可得到在不同參數(shù)情況下的系統(tǒng)響應(yīng)，而且以一個清晰的圖像表示出來。首先取比例系數(shù)Kp=30系統(tǒng)響應(yīng)如圖。由圖中可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)較快，滿足系統(tǒng)的要求，但是穩(wěn)態(tài)誤差較大，需要引入積分環(huán)節(jié)，進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。取比例系數(shù)Kp=30，K1=0.4 系統(tǒng)響應(yīng)如圖。由圖可以看出，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差已經(jīng)達(dá)到要求，但是系統(tǒng)的超調(diào)量較大，震蕩次數(shù)較多，調(diào)整時間較長，需要引入微分環(huán)節(jié)，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。取Kp=35，K1=0.4，K2=15 系統(tǒng)響應(yīng)如圖。由圖可以看出，系統(tǒng)的超調(diào)量小于2，調(diào)整時間小于0.2s,穩(wěn)態(tài)誤差小于5，很好的滿足了系統(tǒng)的要求。 PID控制器的參數(shù)必須根據(jù)工程問題的具體要求來考慮。在工業(yè)過程控制

7、中，通常要保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，對給定量的變化能迅速跟蹤，超調(diào)量小。在不同干擾下輸出應(yīng)能保持在給定值附近，控制量盡可能地小，在系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時控制應(yīng)保持穩(wěn)定。一般來說，要同時滿足這些要求是很難做到的，必須根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，滿足主要的性能指標(biāo)，同時兼顧其它方面的要求。在選擇采樣周期T時，通常都選擇T遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的時間常數(shù)。因此，PID參數(shù)的整定可以按模擬控制器的方法來進(jìn)行。1.4 收獲與感想通過這次的課程三級項目，我更加深入的了解了PID的控制機(jī)理，單純的學(xué)習(xí)課本上的理論知識，我們只能大概的了解它的機(jī)理，但是其深層含義卻無法體會，這次通過matlab程序仿真，通過一次一次的參數(shù)整定，了解到每一個參數(shù)的變化對系統(tǒng)行性能的影響，這樣從實際中了解到這些知識，才能更加領(lǐng)會其中的真正機(jī)理，為以后的PID設(shè)計工作打下堅