PID控制参数对系统性能影响的分析报告.docx
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PID控制参数对系统性能影响的分析报告
《计算机控制技术》课程三级项目
某二阶系统的PID控制器设计及参数整定
报告人:
刘宝
指导教师:
***
燕山大学机械工程学院机电控制系
2012年9月23日
1.1PID控制的应用现状
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
从理论角度而言,PID控制是20世纪40年代开始的调节原理的一种典型代表。
PID控制再世纪控制工程中应用最广,据不完全统计,在工业过程控制、航空航天控制等领域中,PID孔的应用占80%以上。
尽管PID控制已经写入经典教科书,然而由于PID控制的简单与良好的应用效果,人们仍在不断研究PID控制器各种设计方法(包括各种自适应调节、最优化方法)和未来潜力。
由于液压控制系统大功率、高控制精度、技术成熟等特点,在要求精度高的重型机械机构中得到了广泛应用。
在现实工业中比例伺服阀与PID控制器的结合,使得液压控制对于位移、速度、压力等的控制获得更加良好的效果。
1.2PID控制器各个参数对系统系能的影响
1.2.1比例系数
对系统性能的影响
(1)对系统的动态性能影响:
加大,将使系统响应速度加快,
偏大时,系统振荡次数增多,调节时间加长;
太小又会使系统的响应速度缓慢。
的选择以输出响应产生4:
1衰减过程为宜。
(2)对系统的稳态性能影响:
在系统稳定的前提下,加大
可以减少稳态误差,但不能消除稳态误差。
因此
的整定主要依据系统的动态性能。
调节P的大小对系统动态性能影响如图。
由图可见,当Kp加大时,可是系统动作灵敏,速度加快,在系统稳定的前提下,系统的稳态误差将减小,却不能完全消除系统的稳态误差。
Kp偏大时,系统的震荡次数增多,调节时间增长。
Kp太大时,系统会趋于不稳定。
1.2.2积分系数K1对系统性能的影响
积分控制通常和比例控制或比例微分控制联合作用,构成PI控制或PID控制。
(1)对系统的动态性能影响:
对于合适的k1值,可以减小系统的超调量,提高了稳定性,引入积分环节的代价是降低系统的快速性。
(2)对系统的稳态性能影响:
积分控制有助于消除系统稳态误差,提高系统的控制精度,但若k1太大,系统可能会产生震荡,影响系统的稳定性。
由此可见,积分作用能够消除稳态误差,提高控制精度,系统积分作用的引入通常使系统的稳定性下降,K1太大时系统将不稳定,K1偏大时系统的震荡次数较多。
1.2.3微分系数K2对系统性能的影响
(1)对系统的动态性能影响:
微分系数K2的增加即微分作用的增加可以改善系统的动态特性,如减少超调量,缩短调节时间等。
适当加大比例控制,可以减少稳态误差,提高控制精度。
但K2值偏大或偏小都会适得其反。
另外微分作用有可能放大系统的噪声,降低系统的抗干扰能力。
(2)对系统的稳态性能影响:
微分环节的加入,可以在误差出现或变化瞬间,按偏差变化的趋向进行控制。
它引进一个早期的修正作用,有助于增加系统的稳定性。
微分控制经常与比例控制或积分控制联合使用。
引入微分控制可以改善系统的动态特性,当K2偏小时,超调量较大,调节时间也较长;当K2合适时可以提高系统响应速度,提高系统稳定性。
1.3对给定的系统进行PID控制调节
通过改变不同的参数,便可得到在不同参数情况下的系统响应,而且以一个清晰的图像表示出来。
首先取比例系数Kp=30系统响应如图。
由图中可以看出,系统响应较快,满足系统的要求,但是稳态误差较大,需要引入积分环节,进行PI调节。
取比例系数Kp=30,K1=0.4系统响应如图。
由图可以看出,系统的稳态误差已经达到要求,但是系统的超调量较大,震荡次数较多,调整时间较长,需要引入微分环节,进行PID调节。
取Kp=35,K1=0.4,K2=15系统响应如图。
由图可以看出,系统的超调量小于2%,调整时间小于0.2s,稳态误差小于5%,很好的满足了系统的要求。
PID控制器的参数必须根据工程问题的具体要求来考虑。
在工业过程控制中,通常要保证闭环系统稳定,对给定量的变化能迅速跟踪,超调量小。
在不同干扰下输出应能保持在给定值附近,控制量尽可能地小,在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。
一般来说,要同时满足这些要求是很难做到的,必须根据系统的具体情况,满足主要的性能指标,同时兼顾其它方面的要求。
在选择采样周期T时,通常都选择T远远小于系统的时间常数。
因此,PID参数的整定可以按模拟控制器的方法来进行。
1.4收获与感想
通过这次的课程三级项目,我更加深入的了解了PID的控制机理,单纯的学习课本上的理论知识,我们只能大概的了解它的机理,但是其深层含义却无法体会,这次通过matlab程序仿真,通过一次一次的参数整定,了解到每一个参数的变化对系统行性能的影响,这样从实际中了解到这些知识,才能更加领会其中的真正机理,为以后的PID设计工作打下坚实的基础。
通过这次的三级项目,我感到我还有许多工程软件的使用不太熟悉,在接下来的时间里,我要加强这方面的学习,只有好好的掌握了每一个工程软件的使用方法,它们才能更好的为我们的工程分析服务,才能够给我们的设计提高可靠的理论根据。
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