PID校正.docx

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球杆系统PID校正

一、实验目的

1.会用PID法设计球杆系统控制器；

2.设计并验证校正环节；

二、实验要求

1.根据给定的性能指标，用凑试法设计PID校正环节，校正球杆系统，并验证。

2.设球杆系统的开环传递函数为：

G0（S）=1.853S2，设计PID校正环节，使系统的性能指标达到ts≤10秒，σp≤30%。

三、实验设备

1.球杆系统；

2.计算机，Matlab平台。

四、实验原理

1.PID控制器各校正环节的作用：

A.比例环节：

成比例地反映控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

B.积分环节：

主要用于消除稳态误差，提高系统的型别。

积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。

C.微分环节：

反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

2.凑试法整定PID参数

已知未校正的球杆系统结构图、闭环仿真曲线如下图示：

从仿真曲线看出未校正系统震荡不稳定。

设球杆系统PID校正的结构图为如图2.2.5示：

要求采用凑试法设计PID校正环节，使系统性能指标达到调节时间小于10秒，超调量30%。

五、实验结果

1.未校正系统仿真

在MATLABSimulink中构建如下图所示系统的仿真框图，加入阶跃信号。

下图为得到的系统仿真曲线：

闭环系统系统震荡，必须设计控制器使系统稳定。

2.PID校正法仿真

最终控制程序如下图所示。

设置Kp=1.5，Ki=0.3，Kd=1.5

最终得到的系统仿真曲线：

从图上读得超调量20%，调节时间3.15秒，满足系统要求。

3、PID实时控制

实时控制界面

设置Kp=1.5，Ki=0.3，Kd=1.5

位移响应曲线

六.实验记录

控制器参数

性能指标

未校正系统

震荡，不稳定

校正系统仿真

kp=1.5ki=0.3kd=1.5

σ=20%,ts=3.15秒

校正系统实例

kp=1.5ki=0.3kd=1.5=

σ=52%,ts=22秒

七．实验分析

1、怎样确定PID控制器的参数？

答：

1、先设定比例参数。

若测量值在调整时趋势出现的波动次数较多，则放大比例参数；若趋势平缓且变化较慢，则缩小比例参数。

2、比例参数设定好以后，设定积分参数，若测量值在调整时趋势出现的波动次数较多，则缩小积分参数；若趋势平缓且变化较慢，则放大积分参数。

3、比例和积分参数设定好以后，设定微分参数。

若测量值在调整时趋势出现的波动次数较多，则放大微分参数；若趋势平缓且变化较慢，则缩小微分参数。

2、为什么系统仿真的结果和实时控制的结果相差很大？

为什么当PID参数取某些值的时候（如Kp=10，Ki=0，Kd=10），仿真结果很好，但实时控制时系统却震荡不稳定？

答：

系统仿真建立的模型是对实时系统的简化，忽略了许多线性或非线性的因素，但这些因素对结果是有影响的，这些因素包括：

运动副的摩擦，测量装置的误差，电机控制系统误差，信号采集系统的延时等。

当PID参数取某些值的时候，对于所建模型而言，校正效果是好的，但由于模型是一种简化，模型与实际系统之间还存在偏差，这些值对于实际系统还不是有效参数，所以实时系统会震荡不稳定。

3、为什么工业中PID控制能有广泛的应用？

答：

首先，PID应用范围广。

虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。

其次，PID参数较易整定。

也就是，PID参数Kp，Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。

如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。

第三，PID控制器在实践中也不断的得到改进。

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