pid控制算法的matlab仿真研究

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1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)刖目PID（ProportionIntegrationDifferentiation比例-積分-微分）控制規(guī)律作為經(jīng)典控制理論的最大成果之一，由于其原理簡單且易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的自適應(yīng)性和魯棒性，對于無時間延時的單回路控制系統(tǒng)很有效，在FI前的工業(yè)過程控制屮仍被廣泛采用。PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器己經(jīng)有50多年歷史，它是經(jīng)典控制中用于過程控制最奮效的策略之一，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。它最大的優(yōu)點(diǎn)是不需了解被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，只需在線根據(jù)系統(tǒng)誤差及誤差的變化率等簡單參數(shù)，經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)在線整定，即可取得滿意的結(jié)果，具有很大的適應(yīng)性和靈活性。P

2、ID控制屮的積分作用可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，微分作用可以提高響應(yīng)速度。但另一方面積分作用容易導(dǎo)致積分飽和，使系統(tǒng)超調(diào)量增大，微分作用對高頻干擾特別敏感，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。PID控制木質(zhì)上屬于線性控制，因此對于具有很強(qiáng)非線性的對象來說，控制效果具有先天的不足。對于這種情況，就應(yīng)該采用具有非線性特性的控制方法，以適應(yīng)整個系統(tǒng)的特點(diǎn)。PID控制是一種比較理想的控制方式，它在比例的基礎(chǔ)上引入了積分，消除了偏差；又加入微分，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PTD控制算法是將描述連續(xù)過程的微分方程轉(zhuǎn)化成離散化的差分方程從而進(jìn)行控制計(jì)算。本文正是從這一觀點(diǎn)出發(fā)，仿真設(shè)計(jì)出了一種PW參數(shù)整定方法，實(shí)現(xiàn)對原有PID控制性能的提

3、高。利用Matlab/Simulink對其進(jìn)行仿真，并對PID控制和原PID系統(tǒng)進(jìn)行對比分析。一、設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1任務(wù)的提出采用帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)作為系統(tǒng)的被控對象模型，傳遞函數(shù)為Ke~T(iSG(s)=――,其中各參數(shù)分別為：尺=30，T,=630,巧=60。對PTD控制11算法的仿真研究從以下4個方面展開：(1)PTD控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的整定。PTD參數(shù)的選定對控制系統(tǒng)能否得到好的控制效果是至關(guān)重要的，PID參數(shù)的整定方法有很多種，可采用理論整定法(如ZN法)或者實(shí)驗(yàn)確定法(比如擴(kuò)充臨界比例度法、試湊法等)，也可采用如模糊自適應(yīng)參數(shù)整定、遺傳算法參數(shù)整定等新型的PID參數(shù)整定方法。選擇某

4、種方法對參數(shù)整定后，在MATLAB上對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真，繪制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，從動態(tài)和靜態(tài)特性的性能指標(biāo)評價系統(tǒng)控制效果的優(yōu)劣；(2)改變對象模型參數(shù)，通過仿真實(shí)驗(yàn)討論P(yáng)ID控制參數(shù)在被控對象模型失配情況下的控制效果。由于在實(shí)際生產(chǎn)過程的控制中，用模型表示被控對象吋往往存在一定誤差，且參數(shù)也不可能是固定不變的。在已確定控制器最優(yōu)PID調(diào)節(jié)參數(shù)下，仿真驗(yàn)證對象模型的3個參數(shù)中某一個參數(shù)變化(不超過原值的±5%)吋，系統(tǒng)出現(xiàn)模型失配吋控制效果的改變并分析原因；(3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)非線性對PID控制器控制效果的分析研宄。在控制器輸出后加入非線性環(huán)節(jié)(如飽和非線性、死區(qū)非線性等)，從仿真結(jié)果分析、討論執(zhí)

5、行機(jī)構(gòu)的非線性對控制效果的影響。(4)待系統(tǒng)穩(wěn)定后，給系統(tǒng)施加小的擾動信號，觀察此時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析對不同的擾動信號類型(如脈沖信號、階躍)和不同的信號作用位置(如在系統(tǒng)的測量輸出端或控制器輸出后位置)情況下，系統(tǒng)是否仍然穩(wěn)定，并與無擾動情況下的響應(yīng)曲線進(jìn)行比較。1.2相關(guān)理論知識(1)PTD算法原理；(2)PTD控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的整定方法；(3)MATLAB中動態(tài)仿真工具箱Simulink的使用。1.3內(nèi)容及步驟1）首先選擇一種PID控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的整定方法，得到最優(yōu)調(diào)節(jié)參數(shù)/^，/C,,么,;2）打開MATLAB，啟動S1MULINK工具箱，創(chuàng)建一個如下圖所示仿真控制系統(tǒng)；觀察系統(tǒng)階躍

6、響應(yīng)曲線，記澩動態(tài)特性指標(biāo)值。3）分別修改參數(shù)尺、和r,值（不超過原值的±5%）,觀察記錄系統(tǒng)出現(xiàn)模型失配時控制效果的改變，分析原因；4）仿真驗(yàn)證執(zhí)行機(jī)構(gòu)非線性的作用驗(yàn)證分析；5）PID控制對系統(tǒng)擾動信號的控制效果驗(yàn)證分析。1.4設(shè)計(jì)目的及意義1）通過本課程設(shè)計(jì)進(jìn)-步鞏固PTD算法基本理論以及數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)的認(rèn)識和掌握，歸納和總結(jié)PID控制算法在實(shí)際運(yùn)用中的一些特性；2）熟悉MATLAB語言及其在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提高學(xué)生對控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的能力。PID控制是最早應(yīng)用于工業(yè)工程實(shí)踐當(dāng)中的控制方式，迄今己有70多年的歷史。PTD控制的含義是：將經(jīng)過反饋后得到的偏差信號分別進(jìn)行比例、積分、微

7、分運(yùn)算，將運(yùn)算的結(jié)果疊加后得到控制器的輸出信號。因其原理簡單、穩(wěn)定性高、調(diào)整方便、適用范圍廣、控制效果強(qiáng)等一系列優(yōu)勢成為了工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中最常用，也是最廣泛的一種控制方式。尤其適用于能夠建立數(shù)學(xué)模型的自動控制系統(tǒng)當(dāng)中。自1940年以來，PID控制技術(shù)就被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、電力、冶金等工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)在，工業(yè)自動化的水平儼然已經(jīng)成為了衡量一個國家各個領(lǐng)域現(xiàn)代化的重耍標(biāo)準(zhǔn)。P1D控制是一種閉環(huán)