PID控制参数对系统性能影响的分析

《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：刘思远燕山大学机械工程学院机电控制系2012年9月23日目录《计算机控制技术》课程三级项目.....................................................................................11.1PID控制的应用现状........................................................................................................31.2PID控制器各个参数对系统系能的影响.....................................................................31.2.1比例系数PK对系统性能的影响................................................................................31.2.2积分系数K1对系统性能的影响................................................................................41.2.3微分系数K2对系统性能的影响................................................................................51.3对给定的系统进行PID控制调节..................................................................................61.4收获与感想......................................................................................................................81.1PID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PK对系统性能的影响（1）对系统的动态性能影响：PK加大，将使系统响应速度加快，PK偏大时，系统振荡次数增多，调节时间加长；PK太小又会使系统的响应速度缓慢。PK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PK可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。因此PK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。