PID控制算法的MATLAB仿真研究Word文档下载推荐.docx

1、利用 Matlab/Simulink 对其进行仿真，并对 PID 控制和原 PID 系统进行对比分析。一、设计任务书1.1 任务的提出采用带纯滞后的一阶惯性环节作为系统的被控对象模型，传递函数为Ke-td sG（s） =，其中各参数分别为： K = 30 ， Tf1+ Tf s= 630 ，td = 60 。对 PID 控制算法的仿真研究从以下 4 个方面展开：（1） PID 控制器调节参数 KP , KI , KD 的整定。PID 参数的选定对控制系统能否得到好的控制效果是至关重要的，PID 参数的整定方法有很多种，可采用理论整定法（如 ZN 法）或者实验确定法（比如扩充临界比例度法、试凑法

2、等），也可采用如模糊自适应参数整定、遗传算法参数整定等新型的 PID 参数整定方法。选择某种方法对参数整定后，在 MATLAB 上对系统进行数字仿真，绘制系统的阶跃响应曲线，从动态和静态特性的性能指标评价系统控制效果的优劣；（2） 改变对象模型参数，通过仿真实验讨论 PID 控制参数在被控对象模型失配情况下的控制效果。由于在实际生产过程的控制中，用模型表示被控对象时往往存在一定误差，且参数也不可能是固定不变的。在已确定控制器最优 PID 调节参数下，仿真验证对象模型的 3 个参数（ K ,Tf ,td ）中某一个参数变化（不超过原值的5% ）时，系统出现模型失配时控制效果的改变并分析原因；（3

3、） 执行机构非线性对 PID 控制器控制效果的分析研究。在控制器输出后加入非线性环节（如饱和非线性、死区非线性等），从仿真结果分析、讨论执行机构的非线性对控制效果的影响。（4） 待系统稳定后，给系统施加小的扰动信号，观察此时系统的响应曲线，分析对不同的扰动信号类型（如脉冲信号、阶跃）和不同的信号作用位置（如在系统的测量输出端或控制器输出后位置）情况下，系统是否仍然稳定，并与无扰动情况下的响应曲线进行比较。1.2 相关理论知识（1）PID 算法原理；（2）PID 控制器调节参数的整定方法；（3）MATLAB 中动态仿真工具箱 Simulink 的使用。1.3 内容及步骤1） 首先选择一种 PID

4、 控制器调节参数的整定方法，得到最优调节参数KP , KI , KD ；2） 打开 MATLAB，启动 SIMULINK 工具箱，创建一个如下图所示仿真控制系统； 观察系统阶跃响应曲线，记录动态特性指标值。3） 分别修改参数 K 、Tf 和td 值（不超过原值的5% ），观察记录系统出现模型失配时控制效果的改变，分析原因；4） 仿真验证执行机构非线性的作用验证分析；5） PID 控制对系统扰动信号的控制效果验证分析。1.4 设计目的及意义1） 通过本课程设计进一步巩固 PID 算法基本理论以及数字控制器实现的认识和掌握，归纳和总结 PID 控制算法在实际运用中的一些特性；2） 熟悉 MATLA

5、B 语言及其在控制系统设计中的应用，提高学生对控制系统程序设计的能力。PID 控制是最早应用于工业工程实践当中的控制方式，迄今已有 70 多年的历史。PID 控制的含义是：将经过反馈后得到的偏差信号分别进行比例、积分、微分运算，将运算的结果叠加后得到控制器的输出信号。因其原理简单、稳定性高、调整方便、适用范围广、控制效果强等一系列优势成为了工业生产当中最常用，也是最广泛的一种控制方式。尤其适用于能够建立数学模型的自动控制系统当中。自 1940 年以来，PID 控制技术就被广泛应用于机械、化工、电力、冶金等工业生产当中。在科学技术飞速发展的现在，工业自动化的水平俨然已经成为了衡量一个国家各个领域

6、现代化的重要标准。PID 控制是一种闭环控制，PID 控制算法选择的不同，也使得控制系统所得到的结果不同，而系统的闭环特性很大程度上取决于 PID 控制器的性能。因此，控制系统的最终性能取决于 PID 参数的调节和优化，而这也正是研究 PID 控制的意义所在。从实际需求出发，通过 MATLAB/Simulink 对 PID 控制算法进行仿真研究， 相比之下得到一种行之有效的控制算法，不仅可以节省大量的人力物力，同时也能使系统达到一个最佳的工作状态，延长机器的使用寿命，从而提高工业生产的效率，对现实需求具有重要的意义。2、PID 控制算法原理2.1 PID 控制的相关参数在单回路控制系统中，由于

7、扰动作用使被控参数偏离给定值，从而产生偏差。自动控制系统的调节单元将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺参数的自动控制。被控参数能否回到给定值上来，以及以怎样的途径，经过多长时间回到设定值上来，及控制过程的品质如何，这不仅与对象特性相关，而且还与调节器的特性即调节器的运算规律（或称调节规律）有关。比例作用 P 与偏差成正比，积分作用 I 是偏差对时间的累积，微分作用 D 是偏差的变化率。自动调节系统中，当干扰出现时，微分 D 立即起作用，P 随偏差的增大而明显起

8、来，两者起克服偏差的作用，使被控量在新值上稳定，此新稳定值与设定值之差叫余差；I 随时间增加逐渐增强，直至克服掉余差，使被控量重返设定值上来。2.1.1 比例（P）控制比例控制作用对应控制参数为比例系数 Kp，比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差，但因其控制输出与输入误差成正比，所以比例控制不能消除稳态误差，其调节器用在控制系统中，会使系统出现余差。为了减少余差，可适当增大 Kp，Kp 越大，余差就愈小；但 Kp 增大会引起系统的不稳定，使系统的稳定性变差，容易产生振荡。Kp 太小，又会使系统的动作缓慢。2.1.2 积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。与

9、其对 应的控制参数为积分时间常数TI 。积分控制的作用是消除稳态误差。只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。积分项对 误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很 小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差 进一步减小，直到等于零。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除 误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡和不稳定。2.1.3 微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率成正 比关系。其对应控制参数为微分时间常数TD 。自动控制

10、系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或滞后环 节，控制输出量变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用 的变化“超前”。微分控制能够预测误差变化的趋势，可以减小超调量，克服 振荡，使系统的稳定性提高。同时，加快系统的动态响应速度，减小调整时间， 从而改善系统的动态性能。三、设计方案的选择3.1 PID 参数整定方法1） 凑试法凑试法是通过模拟（或闭环）运行观察系统的响应（例如，阶跃响应）曲线，然后根据各调节参数对系统响应的大致影响，反复凑试参数，以达到满意的响应，从而确定 PID 的调节参数。增大比例系数 Kp 一般将加快系统的响应， 这

11、有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡， 使稳定性变坏。Td 有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但对于干扰信号的抑制能力将减弱。在凑试时，可参考以上参数分析控制过程的影响趋势，对参数进行先比例，后积分，再微分的整定步骤。其具体步骤如下：（1） 首先整定比例部分。将比例系数由小调大，并观察相应的系统响应， 直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差小到允许的范围之内，并且响应曲线已属满意，那么只需要用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。（2） 当仅调节比例调节器参数，系统的静差还达不到设计要求时，则需加入积分环节。整定时，首先置积分常数 T

12、i 为一个较大值，经第一步整定得到的比例系数会略为缩小（如减小 20%），然后减小积分常数，使系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复修改比例系数和积分常数，直至得到满意的效果和相应的参数。（3） 若使用比例积分器，能消除静差，但动态过程经反复调整后仍达不到要求，这时可加入微分环节。在整定时，先置微分常数 Td 为零，在第二步整定的基础上，增大 Td，同时相应地改变 Kp 和 Ti，逐步凑试，以获得满意的调节效果和参数。实际上，在整定中参数的选定不是惟一的。事实上，比例、积分和微分三部分作用是相互影响的。从应用角度来看，只要被控制过程的主要性能指标达到

13、设计要求，那么比例、积分和微分参数也就确定了。2） 扩充临界比例度法这种方法适用于有自平衡的被控对象,是模拟系统中临界比例度法的扩充。其整定步骤如下:（1） 选择一个足够短的采样周期 T。所谓足够短,就是采样周期小于对象的纯之后时间的 1/10。（2） 让系统作纯比例控制,并逐渐缩小比例度（=1/Kp）是系统产生临界振荡。此时的比例度和振荡周期就是临界比例度 和临界振荡周期 Tk。（3） 选定控制度。所谓控制度,就是以模拟调节器为基准,将系统的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较,其比值即控制度。3） 自整定法自整定的含义是控制器的参数可以根据对象特性变化自动整定。自整定控制器依据被控对象过程特性的自动分析结果，选择自己的整定参数。一般涉及到系统输入/输出关系的隐式或显式模型，以过程采集为基础，比较高级的自整定控制器还可以连续修改其参数。3.2 方案的确定在连续控制系统中，模拟控制器的参数整定方法较多，但简单易行的方法还是扩充临界比例度法。这种方法最大的优点在于，整定参数时不必依赖被控对象的数学模型。一般情况下，难于准确得到数学模型。扩充临界比例度法是由经典的频率法简化而来的，虽然稍微粗糙一点，但简单易行，适于现场应用。4、PID 参数整定及仿真4.1 系统仿真模型的建立打开 MATLAB，启动 SIMULINK 工具