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)題目：PID控制算法的MATLAB仿真研究專業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)：三班學(xué)號(hào)：姓名：時(shí)間：2012年12月24日--2012年12月29日PID控制算法的MATLAB仿真研究一、課程設(shè)計(jì)目的和要求1.目的1)通過本課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步鞏固PID算法基本理論以及數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)的認(rèn)識(shí)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(yǔ)言及其在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提高學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的能力。2.要求通過查閱資料，了解PID算法研究現(xiàn)狀和研究領(lǐng)域，充分理解設(shè)計(jì)內(nèi)容，對(duì)PID算法的基本原理與運(yùn)用進(jìn)行歸納和總結(jié)，并獨(dú)立完

2、成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和總結(jié)報(bào)告。二、課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容及步驟1.任務(wù)的提出PID控制算法是實(shí)際工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的控制算法，它具有控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制效果好等優(yōu)點(diǎn)。PID控制器參數(shù)的設(shè)置是否合適對(duì)其控制效果具有很大的影響，在本課設(shè)計(jì)中采用帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)作為系統(tǒng)的被控對(duì)象模型，傳遞函數(shù)為，其中各參數(shù)分別為：，，。MATLAB仿真框圖如圖1所示。圖12.對(duì)PID控制算法的仿真研究從以下4個(gè)方面展開：（1）PID控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的整定PID參數(shù)的選定對(duì)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

3、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。在此處選用擴(kuò)充臨界比例度法對(duì)PID進(jìn)行整定，其過程如下：a)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期Ts，由于被控對(duì)象中含有純滯后，且其滯后時(shí)間常數(shù)為τd=60，故可選擇采樣周期Ts=1。b)令積分時(shí)間常數(shù)TI=∞，微分時(shí)間常數(shù)TD=0，逐漸加大比例系數(shù)KP（即減小比例度δ=1/KP），直到KP=Kk=0.567時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅震蕩。記下時(shí)系統(tǒng)發(fā)生震蕩的臨界比例度δk=10.567=1.764（即δk=1/Kk）和振蕩周期Tk=232.4。持續(xù)等幅震

4、蕩如圖2所示。圖2程序：>>plot(tout,yout)a)選擇控制度為Q=1.05，按下面公式計(jì)算各參數(shù)：KP=0.63KkTI=0.49TkTD=0.14TkTs=0.014Tk通過仿真可得：Kk=0.567，Tk=232.4，故可得：KP=0.357，TI=113.876，TD=32.536，Ts=3.254KI=KpTI=0.0031KD=KpTD=11.615按此組控制參數(shù)得到的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。圖3程序：>>plot(tout,yout)gridon由響應(yīng)曲線可知，此時(shí)系統(tǒng)雖然穩(wěn)定，但是暫態(tài)性能較差，超調(diào)量過大，且響應(yīng)曲線不平滑。

5、根據(jù)以下原則對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以改善系統(tǒng)的暫態(tài)過程：1)通過減小采樣周期，使響應(yīng)曲線平滑。2)減小采樣周期后，通過增大積分時(shí)間常數(shù)來(lái)保證系統(tǒng)穩(wěn)定。3)減小比例系數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)，以減小系統(tǒng)的超調(diào)。改變控制器參數(shù)后得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示，系統(tǒng)的暫態(tài)性能得到明顯改善。圖4程序：>>plot(tout,yout)gridon最終，選擇采樣周期為Ts=1，PID控制器的控制參數(shù)為：Kp=0.25，KI=0.001，KD=3此時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量為Mp=27.7%，上升時(shí)間為tr=135，調(diào)整時(shí)間為ts=445。穩(wěn)態(tài)誤差為ess=0。（1）改變對(duì)象模型參數(shù)

6、實(shí)際中，由于建模誤差以及被控對(duì)象的參數(shù)變化，都會(huì)使得被控對(duì)象傳遞函數(shù)參數(shù)不準(zhǔn)確。一個(gè)性能優(yōu)良的控制器應(yīng)該在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)依然具有良好的控制性能，既具有較強(qiáng)的魯棒性。PID控制器的魯棒性強(qiáng)弱是由控制器參數(shù)確定后系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度決定的。下面通過仿真分析被控對(duì)象參數(shù)變化時(shí)PID控制器的控制效果。i.當(dāng)被控對(duì)象的比例系數(shù)增大5%時(shí)，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如圖5所示，此時(shí)系統(tǒng)的個(gè)暫態(tài)性能指標(biāo)為：Mp=29.9%，tr=129，ts=410圖5程序：>>plot(tout,yout)gridon>>holdon>>plot(tout,yout,'r--')相對(duì)參數(shù)

7、未變時(shí)單位階躍響應(yīng)而言，系統(tǒng)的超調(diào)量增大，上升時(shí)間和調(diào)整時(shí)間都減小，但是，各性能指標(biāo)的變化量都比較小。這是因?yàn)椋豢貙?duì)象的比例系數(shù)增大使得系統(tǒng)的開環(huán)增益變大，故而系統(tǒng)響應(yīng)的快速性得到提高，但超調(diào)量也隨之增大。從被控對(duì)象的比例系數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)可知，當(dāng)被控對(duì)象的比例系數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)PID控制器的控制效果不會(huì)產(chǎn)生太大影響。ii.當(dāng)被控對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)增大5%時(shí)，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如圖5所示，此時(shí)系統(tǒng)的個(gè)暫態(tài)性能指標(biāo)為：Mp=26.4%，tr=175，ts=475圖6程序：>>plot(tout,yout)gridon>>holdon

8、>>plot(tout,yout,'r--')相對(duì)參數(shù)未變時(shí)單位階躍響應(yīng)而言，被