基于matlb的PID控制器

目录一、PID控制简介....................................................11.1比例单元....................................................11.2积分单元....................................................11.3微分单元....................................................1二、原系统分析......................................................1三、PID控制器各参数的整定..........................................23.1控制比器位例控制器..........................................23.2控制器为PI控制器...........................................33.3控制器为PID控制器..........................................5四、总结............................................................6参考文献............................................................71一、PID控制简介PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与输出值构成程控制偏差。PID控制器有比例单元P，积分单元I，微分单元D组成。1.1比例单元P控制器是一个可调放大倍数的放大器，提高比例控制器的增益就是提高开环系统的放大系数。这样就可以减小系统的稳态误差，从而提高控制精度对于一介系统来说，提高Kp还可以减小系统的稳态误差。1.2积分单元输入信号与输入信号的积分比Ki是可调节的系数。积分控制器可以提高系统的型别，减小稳态误差。但它的相位角是-90度，这样明显减小相位裕度是系统震荡变强，甚至导致系统不稳定。1.3微分单元反应偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。二、原系统分析使用SIMULINK建立单回路过程控制系统如下图所示：图1系统仿真图形2图1单回路控制系统原传递函数仿真图形如下图所示：图2原系统仿真波形图由图可知该系统是发散的并不稳定，所以可尝试调节PID控制器各个参数来确定其稳定性。（1）只采用比例控制时，针对不同的pK=[0.1:0.1:1]，绘制系统闭环阶跃响应曲线；（2）令1pK，应用PI控制策略时，针对不同的iT=[0.7:0.1:1.5]，绘制系统的阶跃响应曲线；（3）令1ipTK，应用PID控制策略来试验不同的dT=[0.1:0.2:2]，绘制系统的阶跃响应曲线；图2原系统单位阶跃响应曲线三、PID控制器各参数的整定3.1控制器位比例控制器（1）Kp=1时：（2）Kp=0.8图3Kp=1时的响应曲线图4Kp=0.8时的响应曲线3（3）Kp=0.6（4）Kp=0.4图5Kp=0.6时的响应曲线图6Kp=0.4时的响应曲线（5）Kp=0.2（6）Kp=0.1图7Kp=0.2时的响应曲线图8Kp=0.1时的响应曲线比列系数Kp对系统的影响：Kp加大，将使系统响应速度加快，Kp偏大时，系统振荡次数增多，调节时间加长；；Kp太小又会使系统的响应速度缓慢。Kp的选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。在系统稳定的前提下，加大Kp可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。3.2控制器为PI控制器控制器为PI控制器时，改变积分时间常数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。4（1）Kp=1Ki=0.1（2）Kp=1Ki=0.5图9Kp=1Ki=0.1的响应曲线图10Kp=1Ki=0.2的响应曲线（3）Kp=1Ki=0.7（4）Kp=1Ki=1.2图11Kp=1Ki=0.7的响应曲线图12Kp=1Ki=1.2的响应曲线（5）Kp=1Ki=1.5图13Kp=1Ki=1.5的响应曲线积分时间常数iT对系统的影响：（1）对系统的动态性能影响：积分控制通常影响系统的稳定性。iT太小，系统可能不稳定，且振荡次数较多；iT太大，对系统的影响将削弱；当iT较适合时，系统的过渡过程特性比较理想。（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iT太大，积分作用太弱，则不能减少余差。仿真结果表明：当iT的值逐渐减小时，系统的超调量增大，系统的响应速度5加快。相反，随着iT值的加大，系统的超调量减小，系统响应速度略微变慢，最后甚至不稳定。iT越小，积分速度越快，积分作用就越强，系统震荡次数较多。PI控制可以消除系统的稳态误差，提高系统的误差度。3.3控制器为PID控制器此时保持Kp=1，Ki=1不变，改变积分时间常数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。（1）Kp=1Ki=1Kd=0.1（2）Kp=1Ki=1Kd=0.1图14Kp=1Ki=1Kd=0.1的响应曲线图15Kp=1Ki=1Kd=0.2的响应曲线（3）KP=1Ki=1Kd=0.6（4）KP=1Ki=1Kd=1图16Kp=1Ki=1Kd=0.6的响应曲线图17Kp=1Ki=1Kd=1的响应曲线（5）KP=1Ki=1Kd=1.4（6）KP=1Ki=1Kd=1.4图18Kp=1Ki=1Kd=1.4的响应曲线图19Kp=1Ki=1Kd=1.8的响应曲线6（7）KP=1Ki=1Kd=2图20KP=1Ki=1Kd=2的响应曲线在微分控制中，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。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。微分能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。由以上综合仿真可得：从P到PID控制的仿真效果来看系统的性能越来越好，可以发现PID控制所起的作用，不是P，I，D三种作用的简单叠加，而是三种作用的相互促进。增大比例系数P一般讲加快系统的响应，在静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生震荡，是稳定性变坏所以调试时将比例参数由小变大，直至得到反应快，超调小的响应曲线。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节，增大积分时间I可以减小超调，减小震荡，是系统的稳定性增加，但是系统消除静差时间变长。如果系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。增大为分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量变小，稳定性增加，但系统对干扰的抑制能力减弱。四、总结通过这次课程设计，认识了自动控制领域最常用的PID控制，基本掌握了PID的控制规律，同时也认识到自动控制系统的复杂性。经过我们对系统的分析，计算，使系统达到满足要求，同时对原系统进行分析，计算绘制出原系统曲线。通过校正得出校正后的系统，同时进行分析，计算，调试，绘制新的曲线。通过7一系列的操作，进一步加深了对理论知识的理解，对MATLB有了较好的掌握。丰富了理论知识，提高了实践操作的能力。参考文献[1]朱海锋,杨智,张名宙.仪用PID参数自整定控制器设计与应用.自动化仪表.2005（07）[2]杨智.自整定PID调节器设计方法.甘肃工业大学学报.1998（01）[3]张松兰.PID控制参数整定.科技情报开发与经济.2007（29）[4]张燕红.PID控制器参数自整定方法综述.常州工学院学报.2008（04）[5]刁宇静,黄道平,肖迳.PID控制器参数自整定方法综述.广东自动化信息与工程.2002（01）