2013届综合课程设计(论文)题目PID控制算法的MATLAB仿真研究专业班级电气工程及其自动化(工业)01学号1304200718姓名庞亦文指导教师江卫华教授学院名称电气信息学院2016年6月26日综合课程设计论文1PID控制算法的MATLAB仿真研究MATLABSimulationOfPIDControlAlgorithm学生姓名:庞亦文指导教师:江卫华综合课程设计论文2摘要PID控制是最早发展起来且目前在工业过程控制中仍然是应用最为广泛的控制策略之一。针对PID参数整定过程的复杂性,基于MATLAB/Simulink仿真环境,模拟临界比例度法PID参数整定的方法和步骤,给出了一种简单有效的PID参数整定方法。与通常的整定方法比较,其优点是非常直观、可以随意修改仿真参数,节省了大量的计算和编程工作量。通过仿真实例验证了该方法的有效性。综观各种PID参数整定方法,可以有如下分类:根据研究方法来划分,可分为基于频域的PID参数整定方法和基于时域的PID参数整定方法;根据发展阶段来划分,可分为常规PID参数整定方法和智能PID参数整定方法根据被控对象个数来划分,可分为单变量PID参数整定方法和多变量PID参数整定方法;根据控制量的组合形式来划分,可分为线性PID参数整定和非线性PID参数整定方法。一般来说,PID参数整定方法概括起来有两大类:—是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型,采用控制理论中的一些方法,经过理论计算确型,所得到的计算数据—般不能直接使用,还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法。它主要依赖工程经验,直接在控制系统的实验中进行。这种方法简单实用、易于掌握,因而在工程实际中被广泛采用。控制工程中常用的工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法、鲁棒PID参数整定法和ISTE最优参数整定法。关键词:PID;MATLAB;原理;参数;整定综合课程设计论文3AbstractPIDcontrolisoneofthemostwidelyusedcontrolstrategiesintheindustrialprocesscontrol.InviewofthecomplexityofthePIDparametertuningprocess,themethodandthestepsofthecriticalscalingmethodbasedonthePIDsimulationenvironment,asimpleandeffectivePIDparametertuningmethodispresented.Comparedwiththeusualmethod,theadvantagesofthemethodareveryintuitive,canmodifythesimulationparameters,savealotofcalculationandprogrammingworkload.Theeffectivenessoftheproposedmethodisverifiedbyasimulationexample.OverviewofthedifferentkindsofPIDparametertuningmethodscanbeclassifiedasfollows:dividedaccordingtoresearchmethodscanbedividedintobasedonfrequencydomainofPIDparameterstuningmethodandtimedomainparametertuningofPIDcontrollerbasedon;dividedaccordingtothestageofdevelopment,itcanbedividedintoconventionalPIDparametertuningmethodsandtheintelligentPIDparametertuningmethodaccordingtothecontrolledobjectnumberdivisioncanbedividedintosinglevariablePIDparametertuningmethodandmultivariablePIDparametertuningmethod,dividedaccordingtocontroltheamountofcombinationscanbedividedintolinearPIDparametertuningandnonlinearPIDparametertuningmethod.Generallyspeaking,thePIDparametertuningmethodissummedupintwomajorcategories:thetheoreticalcalculationmethod.Itismainlyonthebasisofthemathematicalmodelofthesystem,usingcontroltheory,throughthetheoreticalcalculationofthecorrecttype,theobtaineddatagenerallycannotbedirectlyusedmustalsobeadjustandreviseengineering.Twoistheengineeringsettingmethod.Itmainlydependsontheengineeringexperience,whichisdirectlycarriedoutintheexperimentofthecontrolsystem.Thismethodissimple,practicalandeasytograsp,soitiswidelyusedinengineeringpractice.Inthecontrolengineering,themethodofcriticalproportion,theattenuationcurvemethod,therobustPIDparametersettingmethodandtheISTEoptimalparametersettingmethodarecommonlyused.Keywords:PID;MATLAB;Principle;Parameter;Setting;综合课程设计论文4目录摘要................................................2Abstract......................................................................................................3一、PID算法基本原理.....................................41、PID控制参数对控制性能的影响................................................42.常用的PID控制器.......................................................................5二、PID控制参数的整定:采用临界比例度法(稳定边界法)....6三、系统出现失配对控制效果的影响.........................8四、执行机构非线性PID控制器控制效果的影响...............9五、扰动作用对控制效果的影响............................11结论...............................................14致谢...............................................15参考文献...............................................16第一章一、PID算法基本原理1、PID控制参数对控制性能的影响综合课程设计论文5比例(P)控制:比例控制作用对应控制参数为比例系数KP,比例控制能迅速反应误差,从而减小稳态误差,但因其控制输出与输入误差成正比,所以比例控制不能消除稳态误差,其调节器用在控制系统中,会使系统出现余差。为了减少余差,可适当增大KP,KP越大,余差就愈小;但KP增大会引起系统的不稳定,使系统的稳定性变差,容易产生振荡。KP太小,又会使系统的动作缓慢。积分(I)控制:在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。与其对应的控制参数为积分时间常数TI。积分控制的作用是消除稳态误差。只要系统有误差存在,积分控制器就不断地积累,输出控制量,以消除误差。积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。因而,只要有足够的时间,积分控制将能完全消除误差,使系统误差为零,从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大,甚至使系统出现振荡和不稳定。微分(D)控制: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。其对应控制参数为微分时间常数TD。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。其原因是由于存在有较大惯性环节或滞后环节,控制输出量变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”。微分控制能够预测误差变化的趋势,可以减小超调量,克服振荡,使系统的稳定性提高。同时,加快系统的动态响应速度,减小调整时间,从而改善系统的动态性能。2.常用的PID控制器比例控制器P:比例控制器的结构图如图1所示,其传递关系为tetypK。其传递函数为。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。比例积分控制器PI:其传递关系为dtteTKteKttpp01y。其传递函数为s11KsG1PCT。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合比例微分控制器PD:其传递关系为:dttdetetyDPPTKK递函数可写为:s1sDPCTKG。它适用于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合,可以提高系统的稳定性,减小动态偏差。需要说明一点,对于那些纯滞后较大的区域里,.微分项是无能为力,而在测量信号有噪声或周期性振动的系统,则也不宜采用微分控制。综合课程设计论文6比例积分微分控制器PID:其传递关系t01dttdedtte1tetyDPTTK。PID控制规律是一种较理控制器的传递函数可写为:sTsT11KsGD1PC。PID控制规律是一种比较理想的控制规律,它在比例的基础上引入积分,可以消除余差,再加入微分作用,又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合,如温度控制、成分控制等。二、PID控制参数的整定:采用临界比例度法(稳定边界法)1、积分时间常数1T置于最大(1T=∞,即1K=0),微分时间常数DT=0,即DK=0,由大到小调节比例度δ,直至出现临界震荡过程,如图1所示。此时比例度值称为临界比例度Kδ,值为1.761,临界震荡周期为230。图1等幅震荡过程2、根据临界比例度和震荡周期及下表经验计算公式可得:积分时间常数1T=0.5KT=115微分时间常数DT=0.251T=28.75比例系数PK=Kδ6.11=0.355积分比例系数1K=1TKP=0.0031综合课程设计论文7微分比例系数DK=PKDT=10.21临界震荡整定计算公式δ1TDTP2KδPI2.2Kδ2.1KTPID1.6Kδ0.5KT0.251T3、根据上述计算结果设置调节器的参数值,控制器及响应过程如下图2和图3所示