PI控制器要点

1PI控制原理1.1比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在信号变换过程中，P控制器值改变信号的增益而不影响其相位。在串联校正中，加大了控制器增益k，可以提高系统的开环增益，减小的系统稳态误差，从而提高系统的控制精度。控制器结构如图1：图11.2比例-微分控制具有比例-微分控制规律的控制器称PI控制器，其输出信号m(t)同时成比例的反应出输入信号e(t)及其积分，即：tidtteTktketm0)()()(（1）式（1）中，k为可调比例系数；iT为可调积分时间常数。PI控制器如图2所示。图2在串联校正时，PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能；而增加的负实零点则用来减小系统的阻尼程度，缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态性能产生的不利影响。只要积分时间常数iT足够大，PI控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱，在控制工程中，PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。kr(t)-c(s)e(t)m(t))11(sTkiR(s)-C(s)E(s)M(s)22P和PI控制参数设计2.1初始条件：反馈系统方框图如图3所示。K(s)D1（比例P控制律），sKK(s)DI2（比例积分PI控制律），)6s)(1s(1sG1s(s)，)2s)(1s(1G2(s)2.2P控制器设计2.2.1比例系数k的设定由题目给出的初始条件知，当G(s)=(s)1G，未加入D(s）校正环节时，系统开环传递函数为：6)1)(s-s(s1s(s)H(s)Gsss651s23（2）又系统结构图可知系统为单位负反馈系统所以闭环传递函数为：)6)(1(11)6)(1(1)(sssssssss155123ssss（3）则系统的闭环特征方程为：D(s)=15523sss=0.按劳斯判据可列出劳斯表如表1：)s(DG(s)RYe+-图333s1-52s511s52400s10表1由于劳斯表第一列符号不相同，所以系统不稳定，需要校正。由任务要求得，当D(s)=D1(s),G(s)=G1(s)时，即加入P控制器后，系统开环传递函数为：6)1)(s-s(s1)k(s(s)H(s)G（4）其闭环传递函数为：ksksskkss)6(5)(23（5）则系统的闭环特征方程为：D(s)=0)6(523kskss按劳斯判据可列出劳斯表如表2：3s1K-62s5k1s5304k00sk0表2要使系统稳定则必须满足劳斯表第一列全为正，即：03040kk（6）所以系统稳定的条件为k7.5.当单位阶跃信号输入时，系统稳态误差系数：4)()(lim0psHsGKs（7）由式（4）得系统为1型系统，所以PK=∞所以稳态误差：0111)(PssKRe(8)2.2.2加入P控制器后系统动态性能指标计算1）k取不同值时的特征根由式（5）得系统稳定的条件为k7.5。下面对k分别取7.5、15、30来讨论分析系统的动态性能指标。当k=7.5时系统的闭环特征方程为：05.75.15)(23ssssD（9）通过MATLAB求得系统特征根，其程序如下：den=[1,5,1.5,7.5]roots(den)%求系统特征根其运行结果如下：ans=-5.0000-0.0000+1.2247i-0.0000-1.2247i即求得其特征根分别为：1s=-5，2s=j1.2247，31s=-j1.2247,。其中有两个极点在虚轴上，系统临界稳定。同理通过调用MATLAB中的roots函数即可分别求得k=15，k=20时的特征根。K=15时，特征根为：1s=-3.6608，2s=-0.6696+j1.9103，31s=-0.6696-j1.9103。K=30时，特征根为：1s=-1.6194，2s=-1.6903-j3.9583，31s=-1.6903-j3.9583。2）k取不同值时的单位阶跃响应由式（7）得当k=7.5时其闭环传递函数为：5.75.155.75.7)(231sssss（10）5当k=15时闭环传递函数为：15951515)(232sssss（11）当k=30时闭环传递函数为：302453030)(233sssss（12）用MATLAB求系统的单位阶跃响应，绘制出不同k值时的单位阶跃响应曲线图，其程序如下：num1=[7.5,7.5];den1=[1,5,1.5,7.5];t1=0:0.1:15;y1=step(num1,den1,t1);num2=[15,15];den2=[1,5,9,15];y2=step(num2,den2,t1);num3=[30,30];den3=[1,5,24,30];y3=step(num3,den3,t1);plot(t1,y1,'r.',t1,y2,'--g',t1,y3,'b'),grid程序运行后输出曲线图如图4：63）分别讨论不同k值时的系统动态性能指标如图2知当k=7.5时系统单位阶跃响应为无阻尼振荡。当k=15时系统传递函数为式（11），下面借助LTIViewer计算本控制系统单位阶跃响应时的性能指标。MATLAB程序如下：num=[15,15];den=[1,5,9,15];step(num,den);sys=tf(num,den);ltiview;程序运行后在弹出的LTIViewer框中导入sys函数，然后对绘制的曲线进行相应的设置后可以得到阶跃响应的各项指标点，效果图如图5所示：当光标移到对应点后，在浮出的文本框中可读出数据，列出如下：上升时间：........................................str373.0峰值时间：.........................................stp24.1超调量：..............................................%7.89%p图4051015-1-0.500.511.522.53k=7.5k=15k=307调节时间：..........................................st65.6s（0.05）当k=30时系统传递函数为式（12），同理，通过MATLAB绘出单位阶跃响应曲线图如图6所示。上升时间：........................................str24.0峰值时间：.........................................stp72.0超调量：..............................................%2.68%p调节时间：..........................................st69.2s（0.05）图5StepResponseTime(sec)Amplitude012345678900.20.40.60.811.21.41.61.82System:sysPeakamplitude:1.9Overshoot(%):89.7Attime(sec):1.24System:sysRiseTime(sec):0.373System:sysSettlingTime(sec):6.65System:sysFinalValue:182.2.3加入P控制器后系统动态性能分析：由式（2）得系统为含一个积分环节的三阶系统，在未加入P控制器之前通过劳斯判据得系统处于不稳定状态。当加入适当的P控制器即比例环节后即可改善系统的稳定性。同时根据图4以及不同k值时的暂态系能指标可知通过增大控制器的开环增益可提高系统对阶跃信号的响应速度，降低系统的超调量，缩短系统的调节时间。从而提高了系统的跟踪性能和稳定性。StepResponseTime(sec)Amplitude00.511.522.533.5400.20.40.60.811.21.41.61.8System:sysPeakamplitude:1.68Overshoot(%):68.2Attime(sec):0.72System:sysRiseTime(sec):0.24System:sysSettlingTime(sec):2.69图692.3PI控制器设计2.3.1原系统性能分析当未加入PI控制器时系统为二阶系统，其开环传递函数为：)2)(1(1)()(sssHsG（13）系统闭环传递函数为：331)(2sss（14）借助MATLAB可绘制出系统单位阶跃响应曲线,具体程序如下：num=[1];den=[1,3,3];step(num,den);sys=tf(num,den);ltiview;程序运行后可得如下响应曲线图6：图6StepResponseTime(sec)Amplitude00.511.522.533.5400.050.10.150.20.250.30.35System:sysRiseTime(sec):1.58System:sysSettlingTime(sec):2.5110由图6可看出该二阶系统处于过阻尼状态。其稳态态误差系数：)()(lim0psHsGKs（15）=)2)(1(1lim0sss=0.5（16）所以其稳态误差为：psske11)(=0.667（17）2.3.2加入PI控制器后系统性能指标初始条件条件：D(s)=))(11()(112skkkskksD（18）由式（18）知系统中串入了PI控制器，比例系数为k，积分时间常数1kkTi。当D(s)=D2(s),G(s)=G2(s)时，系统开环传递函数：)2)(1(1)()()(1ssskksHsG（19）=)2)(1(1ssskksk（20）=ssskks23231（21）其闭环传递函数为：1231)2(3)(ksksskkss（22）则闭环特征方程为：D(s)=0)2(3123kskss根据劳斯判据可列出劳斯表如表3：3s1K+22s31k1s321kk00s1k0表311劳斯判据中要满足系统稳定则劳斯表第一列必需满足符号相同。即：00211kkk（23）所以系统稳定的条件为：201kk稳定时的允许区域如图7：当单位阶跃信号输入时，系统稳态误差系数：)()(lim0psHsGKs（24）=)2)(1(lim10ssskksks=∞（25）所以稳态误差：0111)(PssKRe（26）2.3.3k和1k取不同值对系统系能的影响下面在保持系统稳定且保证积分时间常数大于原系统的时间常数的情况即11kk的范围内分别取三组参数求取系统的闭环传递函数的特征根。1）当k=6，1k=5时，将参数带入式（22）得系统传递函数为：58356)(23sssss（27）通过MATLAB求特征方程，具体程序如下：0-22k1k图712den=[1,3,8,5]roots(den)%求系统特征根程序运行后输出结果如下：ans=-1.0992+2.2427i-1.0992-2.2427i-0.8016所以特征根为：1s=-0.8016，2s=-1.0992+j2.2427，31s=-1.0992-j2.2427。通过调用MATLAB中step函数绘制单位阶跃响应曲线，程序如下：num=[65];den=[1385];sys=tf(num,den);t=0:0.1:10;step(sys,t)%求单位阶跃响应曲线运行后输出响应曲线如图8。图8StepResponseTime(sec)Amplitude01234567891000.20.40.60.8