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pid毕业设计
开封大学
业设计任务
设计题目
基于matlab的PID控制器三参数仿真研究
起迄日期
设计地点
指导教师
基于matlab的PID控制器三参数仿真研究
i=r
1.1课题研究背景
PID控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息估计的简单
但却有效的控制算法。
由于其算法简单、可靠性高等优点,PID控制策略被广泛应用于工业过程控制中。
在计算机技术没有发展的条件下,大量需求的控制对象是一些较为简单的单输入单输出线性系统,而且对这些对象的自动控制要求是保攀输出变量为要求的恒值,消除或减少输出变量与给定值之误差、误差速度等。
而PID控制的结构正是适合于这种对象的控制要求。
另一方面,PID控制结构简单、调试方便,用一般电子线路、电气机械装置很容易实现,在无计算机条件下,这种PID控制比其他复杂控制方法具有可实现的优先条件。
即使到了计算机出现的时代,由于被控对象输出信息的获取目前主要是“位置信息”、“速度信息”和部分“加速度信息”,而更高阶的信息无法或很难测量,在此情况下,高维、复杂控制只能在计算方法上利用计算机的优势,而在实际应用中,在不能或难以获得高阶信息的条件下,PID控制器仍是应用的主要方法⑴-⑻。
总而言之,PID控制器历史悠久,生命力旺盛,并以其独特的优点在工业控制中发挥巨大作用。
下面简单地回顾PID控制器的发展历史:
1.2PID控制基础
PID控制器由于结构简单、使用方便等优点,在工业控制中得到了广泛的应用,但由于传统PID控制器的结构还不完美,普遍存在积分饱和、过渡时间与超调量之间矛盾大等缺点。
所以改进传统PID控制器也就成了人们研究的热点。
图1.1PID控制系统原理图
制对象进行控制。
1、PID调节器的微分方程
2、PID调节器的传输函数
式中Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数,这三个参数的取值优劣将影响到PID控制系统的控制效果好坏,下面简要介绍下这三个参数对控制性能的影响。
1.2.2对控制性能的影响
(I)比例作用对控制性能的影响
比例作用的引入是为了及时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),系统偏差一旦产生,调节器立即产生与其成比例的控制作用,以减小偏差。
比例控制
反映快,但对某些系统,可能存在稳态误差,加大比例系数Kp,系统的稳态误
差减小,但稳定性可能变差。
⑵积分作用对控制性能的影响
积分作用的引入是为了使系统消除稳态误差,提高系统的无差度,以保证实
U。
现对设定值的无静差跟踪。
假设系统己经处于闭环稳定状态,此时的系统输出和误差量保持为常值和Eo,只有当且仅当动态误差e(t)=O时,控制器的输出才为常数。
因此,从原理上看,只要控制系统存在动态误差,积分调节就产生作用,直至无差,积分作用就停止,此时积分调节输出为一常值。
积分作用的强弱取决于积分时间常数的
大小,积分时间常数越小,积分作用越强,反之则积分作用弱。
积分作用的引入会使系统稳定性下降,动态响应变慢。
实际中,积分作用常与另外两种调节规律结合,组成PI控制器或者PID控制器。
⑶微分作用对控制性能的影响
微分作用的引入,主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。
微分作用能反映系统偏差的变化律,预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用。
直观而言,微分作用能在偏差还没有形成之前,就己经消除偏差。
因此,微分作用可以改善系统的动态性能。
微分作用的强弱取决于微分时间Td的大小,TD越大,微分作用越强,反之则越弱。
在微分作用合适的情况下,系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。
从滤波器的角度看,
微分作用相当于一个高通滤波器,因此它对噪声干扰有放大作用,而这是我们在设计控制系
[4]-[10]
O
统时不希望看到的。
所以我们不能一味地增加微分调节,否则会对控制系统抗干扰产生不利的影响。
此外,微分作用反映的是变化率,当偏差没有变化时,微分作用的输出为零
123控制规律的选择
PID控制器参数整定的目的就是按照己定的控制系统,求得控制系统质量最佳的调节性能。
PID参数的整定直接影响到控制效果,合适的PID参数整定可以提高自控投用率,增加装置操作的平稳性。
对于不同的对象,闭环系统控制性能的不同要求,通常需要选择不同的控制方法,控制器结构等;大致上,系统控制
规律的选择主要有下面几种情况:
1.对于一阶惯性的对象,如果负荷变化不大,工艺要求不高,可采用比例控制;
2.对于一阶惯性加纯滞后对象,如果负荷变化不大,控制要求精度较高,可采用比例积分控制;
3.对于纯滞后时间较大,负荷变化也较大,控制性能要求较高的场合,可采用比例积分微分控制;
4.对于高阶惯性环节加纯滞后对象,负荷变化较大,控制性能要求较高时,应采用串级控制、前馈一反馈、前馈一串级或纯滞后补偿控制。
Kp、Ti、Td大小不同则比
三•PID调节器分析
PID控制是比例、积分、微分控制的总体,而各部分的参数
例、微分、积分所起作用强弱不同。
在工业过程控制中如何把三参数调节到最佳状态需要深
入了解PID控制中三参量对系统动态性能的影响。
以单闭环调速系统为例,讨论各参量单独变化对系统控制作用的影响。
在讨论一个参量变化产生的影响时,设另外两个参量为常数。
1、p控制作用分析:
分析比例控制作用,设Td=0、Ti=8、Kp=6〜10。
输入信号阶跃函数,根据单闭环调
速系统结构图,进行仿真。
MATLAB^序exampIe1.m如下。
%Matlabprogramexample1.m
G仁tf(1,[0.0171]);G2=tf(1,[0.0750]);
G12=feedback(G1*G2,1);
G3=tf(44,[0.001671]);G4=tf(1,0.1925);
G=G12*G3*G4;Kp=[6:
2:
10];
fori=1:
length(Kp)
Gc=feedback(Kp(i)*G,0.01158);
step(Gc),holdon
end
axis([0,0.2,0,150]);
gtext('1Kp=6'),
gtext('2Kp=8'),gtext('3Kp=10'),
运行该程序后系统的阶跃响应曲线,如图所示
Jt
1=10 a.EDMoredjoban0.12mud.16d.i&0.2 Tlrnfl(sac) 图3.2单闭环调速系统P控制阶跃响应曲线 仿真结果表明: 随着Kp值的增大,系统的超调量加大,系统响应速度加快。 但随着Kp 的增大,系统的稳定性能变差。 2.、比例积分控制作用的分析 设比例积分调节器中Kp=1,讨论Ti=0.03〜0.05时对系统阶跃给定响应曲线的影响, 根据图2.1的数据,给出MATLAB^序exampIe2.m如下。 %MatlabProgramexampIe2.m G仁tf(1,[0.0171]);G2=tf(1,[0.0751]); G12=feedback(G1*G2,1); G3=tf(44,[0.001671]);G4=tf(1,0.1925); G=G12*G3*G4; Kp=1;Ti=[0.02: 0.01: 0.04]; fori=1: length(Ti) Gc=tf(Kp*[Ti(i)1],[Ti(i)0]); Gcc=feedback(Gc*G,0.01158); step(Gcc),holdon endaxis([0,0.4,0,150]); gtext('1Ti=0.02');gtext('2Ti=0.03'); 仿真结果表明: Kp=1,随着Ti值的加大,系统的超调量减小,系统响应速度略微变 慢。 图3.3单闭环调速系统PI控制阶跃给定响应曲线 3、微分调节作用的分析 2.1的 设Kp=1、Ti=0.01,讨论Td=12〜84时对系统阶跃响应曲线的影响,根据结构图数据,给出MATLAB^序example3.m如下。 %MatlabProgramexampIe3.m G仁tf(1,[0.0171]);G2=tf(1,[0.0751]); G12=feedback(G1*G2,1); G3=tf(44,[0.001671]);G4=tf(1,0.1925); G=G12*G3*G4; Kp=1;Ti=0.01;Td=[10: 30: 70]; fori=1: length(Td) Gc=tf(Kp*[Ti*Td(i)Ti1],[Ti0]); Gcc=feedback(Gc*G,0.01158); step(Gcc),holdon end axis([0,12,0,100]); gtext('1Td=10'); gtext('2Td=40'); gtext('3Td=70'); IDO 雪甲ReEpiaiM 10 E Tini5(5K: > 图3.4单闭环调速系统PID控制阶跃给定响应曲线 仿真结果表明: 根据单闭环调速系统的参数配合情况,起始上升段呈现较尖锐的波峰, Kp=1、Ti=0.01不变时,在本程序设定的Td范围内(Td=10: 30: 70),随着Td值的加大,闭环系统的超调量增大,响应速度变慢。
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