基于MATLAB的PID控制器设计报告文档格式.docx

1、这里，仅简要介绍PID控制器的主要特性。PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值与实际输出值构成的控制偏差： = 将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P、I、D基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P调节器，PI调节器，PID调节器等。所以, 正确计算控制器的参数, 有效合理地实现 PID控制器的设计,对于PID 控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。二、原理分析与说明PID 控制器由比例单元（ P ）、积分单元（ I ）和微分单元（ D ）组成。其输

2、入 e（t） 与输出 u（t） 的关系为公式（1-1） 公式（1-1）因此它的传递函数为公式（1-2） 公式（1-2） 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组

3、成PI调节器或PID调节器。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。PID控制器由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（ Kp ， Ki 和 Kd ）即可。在很多情况下，

4、并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 首先，PID应用范围广。虽然很多控制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，下面两个改进的例子，在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用 PID 的工业控制系统

5、总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。比例、积分、微分1. 比例图2-2 比例电路 公式（2-1）2. 积分器图2-3 积分电路 公式（2-2）图2-4微分电路3. 微分器 （式2-3）实际中也有PI和PD控制器。PID控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量，控制器输出和控制器输入（误差）之间的关系在时域中如公式（2-4）和（2-5）:u（t）=Kp（e（t）+Td+） 公式（2-4）U（s）= + E（s） 公式（2-5）公

6、式中U（s）和E（s）分别为u（t）和e（t）的拉氏变换，其中、分别为控制器的比例、积分、微分系数三、传递函数1、传递函数 2、传递函数性能分析 （1）稳定性分析num=8;den=2 15 27 10;G=tf（num,den）Transfer function: 8-2 s3 + 15 s2 + 27 s + 10 pzmap（G）（2）未接入PID 的阶跃响应曲线四、在MATLAB下实现PID控制器的设计与仿真1、参数计算 （1） num=8; den=conv（1 5,conv（1 2,2 1）; G=tf（num,den）; step（G,15）; step（G,100）; step

7、（G,50）;k=dcgain（num,den）k =0.8000由图可知，取L=0.614 T=3.186。于读图存在误差，因此参数仍需整定。2、设计PID控制器 （1）已知对象的K、L 和T 值后,根据Ziegler Nichols整定公式编写一 个MATLAB函数ziegler_std （ ）用以设计PID控制器。 function num,den,Kp,Ti,Td,H=Ziegler_std （key,vars）Ti= ;Td= ;H= ;K=vars（1） ;L=vars（2） ;T=vars （3）;a=K*L/T;if key=1 num=1/a; %判断设计P 控制器 else

8、if key=2 Kp=0.9/a;Ti=3.33*L; %判断设计PI 控制器 elseif key=3, Kp=1.2/a;Ti=2*L;Td=L/2; %判断设计PID控制器end switch key case 1num=Kp;den=1; % P控制器 case 2num=Kp*Ti,1;den=Ti,0; % PI控制器 case 3 % PID控制器p0=Ti*Td,0,0;p1=0,Ti,1;p2=0,0,1;p3=p0+p1+p2;p4=Kp*p3;num=p4/Ti;den=1,0;endK=0.8000;L=0.614;T=3.168;num,den,Kp,Ti,Td=Z

9、iegler_std （3,K,L,T）num = 2.3895 7.7834 12.676den = 1 0Kp = 7.7834Ti = 1.2280Td =0.3070（2）动态仿真集成环境 Simulink下构造系统模型由图可以看出，经过调节参数之后超调量明显减小，响应曲线平滑，调节时间理想，较符合设计要求。五、例题实验PID的调节实例已知传递函数，其PID控制模型如下：其中PID模块如下：用整定PID调节器的参数，使系统的超调量小于20%，并求其动态性能指标。解：利用整定公式整定PID调节器的初始参数；KPTITDPPI0.93.3PID1.22.20.5根据题目已知，T=50,K=

10、22, =20,可求得PID参数如下：0.11360.1023660.13644410利用此时的PID参数，得到的响应如下：（4）对PID参数进行微调，使性能指标满足系统要求。0.1657六、心得体会半学期的MATLAB课程结束了，我们学到了很多，总体来说这次的论文并不是特别容易，我选择写有关PID的应用，虽然我们在自动控制原理课堂上学到了不少关于PID的有用的知识，可真正用起来就发现自己真的的太少，问题太多。我到图书馆来找过资料，也上网查了不少资料，在查找和阅读的过程中真的学到不少的知识。当然，在做自动控制原理作业的时候我遇到了不少问题，在准备论文的时候进行MATLAB仿真时不知道参数怎么设置，在和周围同学的探讨中我们找到了答案，大家共同进步。真正做到了学有致用。通过论文让我们更加深刻的体会到实践很重要性，平时我们多是学习理论知识，上机实践时也是验证例题，自己也少练习，在实践方面确实欠缺不少，需要我们今后加强练习。通过这次实习，我知道了任何事都要靠自己，只有自己的知识才是真正的知识，这让我在以后的工作生活中有了更好的动力！感谢老师的耐心指导和悉心教导！七、参考资料1、胡寿松自动控制原理科学出版社2、李国勇主编计算机仿真技术与CAD基于MATLAB的控制系统电子工业出版社