PID參數(shù)整定MATLAB仿真

1、 2013 屆 綜合課程設(shè)計(jì)(論文) 題 目PID控制算法的MATLAB仿真研究 專 業(yè) 班 級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（工業(yè)）01 學(xué) 號(hào)1304200718 姓 名龐亦文 指 導(dǎo) 教 師江衛(wèi)華教授 學(xué) 院 名 稱電氣信息學(xué)院 2016年6月26日PID控制算法的MATLAB仿真研究MATLAB Simulation Of PID Control Algorithm學(xué) 生 姓 名: 龐亦文 指 導(dǎo) 教 師: 江衛(wèi)華 摘 要PID控制是最早發(fā)展起來且目前在工業(yè)過程控制中仍然是應(yīng)用最為廣泛的控制策略之一。針對(duì)PID參數(shù)整定過程的復(fù)雜性，基于MATLAB/Simulink仿真環(huán)境，模擬 臨界比例度法PI

2、D參數(shù)整定的方法和步驟，給出了一種簡單有效的PID參數(shù)整定方法。與通常的整定方法比較，其優(yōu)點(diǎn)是非常直觀、可以隨意修改仿真參數(shù)，節(jié)省了大量的計(jì)算和編程工作量。通過仿真實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性。綜觀各種PID參數(shù)整定方法，可以有如下分類：根據(jù)研究方法來劃分，可分為基于頻域的PID參數(shù)整定方法和基于時(shí)域的PID參數(shù)整定方法；根據(jù)發(fā)展階段來劃分，可分為常規(guī)PID參數(shù)整定方法和智能PID參數(shù)整定方法根據(jù)被控對(duì)象個(gè)數(shù)來劃分，可分為單變量PID參數(shù)整定方法和多變量PID參數(shù)整定方法；根據(jù)控制量的組合形式來劃分，可分為線性PID參數(shù)整定和非線性PID參數(shù)整定方法。一般來說，PID參數(shù)整定方法概括起來有兩大類：

3、是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用控制理論中的一些方法，經(jīng)過理論計(jì)算確型，所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)般不能直接使用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法。它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行。這種方法簡單實(shí)用、易于掌握，因而在工程實(shí)際中被廣泛采用?？刂乒こ讨谐Ｓ玫墓こ陶ǚ椒ㄓ信R界比例度法、衰減曲線法、魯棒PID參數(shù)整定法和ISTE最優(yōu)參數(shù)整定法。關(guān)鍵詞：PID； MATLAB；原理；參數(shù)； 整定AbstractPID control is one of the most widely used control strategies in the industri

4、al process control. In view of the complexity of the PID parameter tuning process, the method and the steps of the critical scaling method based on the PID simulation environment, a simple and effective PID parameter tuning method is presented. Compared with the usual method, the advantages of the m

5、ethod are very intuitive, can modify the simulation parameters, save a lot of calculation and programming workload. The effectiveness of the proposed method is verified by a simulation example. Overview of the different kinds of PID parameter tuning methods can be classified as follows: divided acco

6、rding to research methods can be divided into based on frequency domain of PID parameters tuning method and time domain parameter tuning of PID controller based on; divided according to the stage of development, it can be divided into conventional PID parameter tuning methods and the intelligent PID

7、 parameter tuning method according to the controlled object number division can be divided into single variable PID parameter tuning method and multi variable PID parameter tuning method, divided according to control the amount of combinations can be divided into linear PID parameter tuning and nonl

8、inear PID parameter tuning method. Generally speaking, the PID parameter tuning method is summed up in two major categories: the theoretical calculation method. It is mainly on the basis of the mathematical model of the system, using control theory, through the theoretical calculation of the correct

9、 type, the obtained data generally cannot be directly used must also be adjust and revise engineering. Two is the engineering setting method. It mainly depends on the engineering experience, which is directly carried out in the experiment of the control system. This method is simple, practical and e

10、asy to grasp, so it is widely used in engineering practice. In the control engineering, the method of critical proportion, the attenuation curve method, the robust PID parameter setting method and the ISTE optimal parameter setting method are commonly used.Keywords：PID; MATLAB; Principle; Parameter;

11、 Setting；目 錄摘 要2Abstract3一、PID算法基本原理51、PID控制參數(shù)對(duì)控制性能的影響52.常用的 PID控制器6二、PID控制參數(shù)的整定：采用臨界比例度法（穩(wěn)定邊界法）6三、系統(tǒng)出現(xiàn)失配對(duì)控制效果的影響9四、執(zhí)行機(jī)構(gòu)非線性PID控制器控制效果的影響9五、擾動(dòng)作用對(duì)控制效果的影響11結(jié) 論14致 謝15參考文獻(xiàn)16第 一 章一、PID算法基本原理1、PID控制參數(shù)對(duì)控制性能的影響 比例(P)控制:比例控制作用對(duì)應(yīng)控制參數(shù)為比例系數(shù) K P，比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差，但因其控制輸出與輸入誤差成正比，所以比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，其調(diào)節(jié)器用在控制系統(tǒng)中，會(huì)使系

12、統(tǒng)出現(xiàn)余差。為了減少余差，可適當(dāng)增大 K P， K P越大，余差就愈??；但 K P增大會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，容易產(chǎn)生振蕩。 K P太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。與其對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)為積分時(shí)間常數(shù)TI。積分控制的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差。只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤

13、差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩和不穩(wěn)定。微分（ D）控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分即誤差的變化率成正比關(guān)系。其對(duì)應(yīng)控制參數(shù)為微分時(shí)間常數(shù)TD。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或滯后環(huán)節(jié)，控制輸出量變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”。微分控制能夠預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高。同時(shí)，加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。2.常用的 PID控制器 比例控制器P：比例控制器的結(jié)

14、構(gòu)圖如圖1 所示，其傳遞關(guān)系為。其傳遞函數(shù)為。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、控制要求不高、被控參數(shù)允許在一定范圍內(nèi)有余差的場(chǎng)合。比例積分控制器 PI：其傳遞關(guān)系為。其傳遞函數(shù)為。它適用于控制通道滯后較小、負(fù)荷變化不大、被控參數(shù)不允許有余差的場(chǎng)合比例微分控制器 PD：其傳遞關(guān)系為：遞函數(shù)可寫為：。它適用于控制通道的時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大的場(chǎng)合，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小動(dòng)態(tài)偏差。需要說明一點(diǎn)，對(duì)于那些純滯后較大的區(qū)域里，.微分項(xiàng)是無能為力，而在測(cè)量信號(hào)有噪聲或周期性振動(dòng)的系統(tǒng)，則也不宜采用微分控制。比例積分微分控制器 PID：其傳遞關(guān)系 。PID控制規(guī)律是一種較理控制器的傳遞函數(shù)可寫為

15、：。PID控制規(guī)律是一種比較理想的控制規(guī)律，它在比例的基礎(chǔ)上引入積分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。它適用于控制通道時(shí)間常數(shù)或容量滯后較大、控制要求較高的場(chǎng)合，如溫度控制、成分控制等。二、PID控制參數(shù)的整定：采用臨界比例度法（穩(wěn)定邊界法）1、積分時(shí)間常數(shù)置于最大（=，即=0 )，微分時(shí)間常數(shù)= 0 ，即=0，由大到小調(diào)節(jié)比例度，直至出現(xiàn)臨界震蕩過程，如圖1所示。此時(shí)比例度值稱為臨界比例度，值為1.761，臨界震蕩周期為230。 圖1 等幅震蕩過程2、根據(jù)臨界比例度 和震蕩周期 及下表經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式可得：積分時(shí)間常數(shù) =0.5=115微分時(shí)間常數(shù) =0.25=28.75比例

16、系數(shù) =0.355積分比例系數(shù) = =0.0031微分比例系數(shù) = =10.21 臨界震蕩整定計(jì)算公式 P 2 PI 2.2 PID 1.60.50.253、根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)值，控制器及響應(yīng)過程如下圖2和圖3所示 整定后控制系統(tǒng)圖2 整定后控制效果圖34、控制效果優(yōu)劣評(píng)價(jià)：首先，從系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線可以看出，由于被控對(duì)象有純滯后環(huán)節(jié)，所以響應(yīng)曲線也有相應(yīng)的滯后。其次，響應(yīng)曲線過渡地不平滑，這主要是由于采樣時(shí)間決定的，采樣時(shí)間長，過渡不6平滑，為了使曲線平滑，可以減小采樣時(shí)間，但同時(shí)這也意味著積分作用增強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)地，所以減小采樣時(shí)間的同時(shí)應(yīng)增大積分時(shí)間常數(shù)以減小積分作

17、用。再次，除了純滯后之外，響應(yīng)曲線的上升時(shí)間及調(diào)整時(shí)間都比較小，且沒有震蕩，但超調(diào)量較大，可適當(dāng)增加微分比例系數(shù)，即增大微分時(shí)間常數(shù)。最后，響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差為零，這主要是積分環(huán)節(jié)在起作用?？傮w來說，該控制器可以滿足基本的控制要求。第 二 章三、系統(tǒng)出現(xiàn)失配對(duì)控制效果的影響將滯后時(shí)間改為 57，其控制效果如下圖4所示 系統(tǒng)失配控制效果圖4通過對(duì)比圖3和圖4，可以看出，滯后時(shí)間的小范圍改變除了對(duì)響應(yīng)曲線的滯后有一定影響外，對(duì)其他控制質(zhì)量影響不大四、執(zhí)行機(jī)構(gòu)非線性PID控制器控制效果的影響1、在零階保持器和純滯后環(huán)節(jié)中間加入飽和非線性環(huán)節(jié)，幅值設(shè)為0.2，其控制系統(tǒng)和控制效果如下圖5和圖6所示：加入飽和

18、非線性的控制系統(tǒng)圖5加入飽和非線性環(huán)節(jié)的控制效果圖6通過對(duì)比圖3和圖6可以看出，加入飽和非線性環(huán)節(jié)后，曲線變平滑，超調(diào)量幾乎不變，但響應(yīng)曲線的上升時(shí)間和調(diào)整時(shí)間增大，穩(wěn)態(tài)誤差仍為零。2、加入零階保持器和純滯后環(huán)節(jié)中間加入死區(qū)非線性，死去時(shí)間為1秒。其控制系統(tǒng)及控制效果如圖7和圖6所示： 加入死區(qū)非線性的控制系統(tǒng)圖7 加入死區(qū)非線性環(huán)節(jié)的控制效果圖8通過對(duì)比圖3和圖8可以看出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的死區(qū)非線性對(duì)控制效果影響比較大，上升過程曲線發(fā)生畸變，過渡過程時(shí)間變長，超調(diào)量減小，但對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差影響不大。五、擾動(dòng)作用對(duì)控制效果的影響1、在閉環(huán)內(nèi)加擾動(dòng)，其控制系統(tǒng)及控制效果如下圖9和圖10所示： 閉環(huán)內(nèi)加入擾動(dòng)

19、控制系統(tǒng)圖9 閉環(huán)內(nèi)加入擾動(dòng)控制效果圖10 通過對(duì)比圖 3和圖 10可以看出，對(duì)于閉環(huán)內(nèi)擾動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，響應(yīng)會(huì)有一定的波動(dòng)，但通過 PID控制器的控制作用，最終還是會(huì)達(dá)到預(yù)定的穩(wěn)態(tài)值，所以 PID控制器對(duì)于閉環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)有抑制作用。2、在閉環(huán)外加擾動(dòng)，其控制系統(tǒng)及控制效果如下圖 11和圖 12所示： 閉環(huán)外加入擾動(dòng)控制系統(tǒng)圖 11 閉環(huán)外加入擾動(dòng)控制效果圖12通過對(duì)比圖 3和圖 12可以看出，對(duì)于閉環(huán)外的擾動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，響應(yīng)出現(xiàn)波動(dòng)，經(jīng)過一段時(shí)間后再次達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但已不是期望的穩(wěn)態(tài)，由此可以看出 PID控制器對(duì)閉環(huán)外的擾動(dòng)無能為力。結(jié) 論 本文在區(qū)別于常規(guī)PID參數(shù)整定方法的基礎(chǔ)上,提出了

20、一種基于MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下的PID參數(shù)整定方法.其特點(diǎn)是簡單、直觀、有效、完全可視化且物理意義明確.這種整定方法步驟簡單、工作量少、容易被工程技術(shù)人員所理解和掌握,仿真結(jié)果也表明了該方法的有效性,具有很高的實(shí)用價(jià)值.利用Simulink的控制模塊可很容易對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模校正,按下仿真按鈕啟動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的仿真,可以隨意改變仿真參數(shù),完成對(duì)系統(tǒng)的校正.所以利用Simulink對(duì)系統(tǒng)做適當(dāng)仿真和分析,對(duì)不符合要求的系統(tǒng)進(jìn)行校正,可以增強(qiáng)系統(tǒng)的性能,減少系統(tǒng)反復(fù)修改的時(shí)間,實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)系統(tǒng)的目標(biāo)致 謝 在學(xué)習(xí)中,老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識(shí)、精益求精的工作態(tài)度以及侮人不倦的師者風(fēng)

21、范是我終生學(xué)習(xí)的楷模，老師們的高深精湛的造詣與嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)精神，將永遠(yuǎn)激勵(lì)著我。這三年中還得到眾多老師的關(guān)心支持和幫助。在此，謹(jǐn)向老師們致以衷心的感謝和崇高的敬意！ 另外，感謝校方給予我這樣一次機(jī)會(huì)，能夠獨(dú)立地完成一個(gè)課程設(shè)計(jì)，并在這個(gè)過程當(dāng)中，給予我們各種方便，使我們?cè)谶@學(xué)期快要結(jié)束的時(shí)候，能夠?qū)W(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐中，增強(qiáng)了我們實(shí)踐操作和動(dòng)手應(yīng)用能力，提高了獨(dú)立思考的能力。感謝所有任課老師和所有同學(xué)在這三年來給自己的指導(dǎo)和幫助，是他們教會(huì)了我專業(yè)知識(shí)，教會(huì)了我如何學(xué)習(xí)，教會(huì)了我如何做人。正是由于他們，我才能在各方面取得顯著的進(jìn)步，在此向他們表示我由衷的謝意。 在這次課程設(shè)計(jì)的撰寫中，我得到了許多人的幫助。首先我要感謝我的老師在課程設(shè)計(jì)上給予我的指導(dǎo)、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次設(shè)計(jì)的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多技術(shù)上的難題，讓我能把系統(tǒng)做得更加完善。在此期間，我不僅學(xué)到了許多新的知識(shí)，而且也開闊了視野，提高了自己的設(shè)計(jì)能力。其次