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)前言PID（Proportion?Integration?Differentiation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(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的自適應(yīng)性和魯棒性，對(duì)于無(wú)時(shí)間延時(shí)的單回路控制系統(tǒng)很有效，在目前的工業(yè)過(guò)程控制中仍被廣泛采用。PID控制器作為最早實(shí)用化的控制器已經(jīng)有50多年歷史，它是經(jīng)典控制中用于過(guò)程控制最有效的策略之一，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(duì)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(jiǎn)單參數(shù)，經(jīng)過(guò)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，

2、具有很大的適應(yīng)性和靈活性。PID控制中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(duì)高頻干擾特別敏感，?甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。PID控制本質(zhì)上屬于線性控制，因此對(duì)于具有很強(qiáng)非線性的對(duì)象來(lái)說(shuō)，控制效果具有先天的不足。對(duì)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(gè)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。PID控制算法是將描述連續(xù)過(guò)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)

3、計(jì)出了一種PID參數(shù)整定方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)原有PID控制性能的提高。利用Matlab/Simulink對(duì)其進(jìn)行仿真，并對(duì)PID控制和原PID系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析。一、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)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(duì)象模型，傳遞函數(shù)為，其中各參數(shù)分別為：，，。對(duì)PID控制算法的仿真研究從以下4個(gè)方面展開(kāi)：（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P

4、ID參數(shù)整定方法。選擇某種方法對(duì)參數(shù)整定后，在MATLAB上對(duì)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(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性的性能指標(biāo)評(píng)價(jià)系統(tǒng)控制效果的優(yōu)劣；（2）改變對(duì)象模型參數(shù)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)討論P(yáng)ID控制參數(shù)在被控對(duì)象模型失配情況下的控制效果。由于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的控制中，用模型表示被控對(duì)象時(shí)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(duì)象模型的3個(gè)參數(shù)（）中某一個(gè)參數(shù)變化（不超過(guò)原值的）時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)模型失配時(shí)控制效果的改變并分析原因；（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)非線性對(duì)PID控制器控制效果的分析研究。在控制器輸出后加入非線性環(huán)節(jié)（如飽

5、和非線性、死區(qū)非線性等），從仿真結(jié)果分析、討論執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非線性對(duì)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(dòng)信號(hào)，觀察此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析對(duì)不同的擾動(dòng)信號(hào)類型（如脈沖信號(hào)、階躍）和不同的信號(hào)作用位置（如在系統(tǒng)的測(cè)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(wú)擾動(dòng)情況下的響應(yīng)曲線進(jìn)行比較。1.2相關(guān)理論知識(shí)（1）PID算法原理；（2）PID控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的整定方法；（3）MATLAB中動(dòng)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)；2）打開(kāi)MATLAB，啟動(dòng)SIMULI

6、NK工具箱，創(chuàng)建一個(gè)如下圖所示仿真控制系統(tǒng)；觀察系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，記錄動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)值。3）分別修改參數(shù)、和值（不超過(guò)原值的），觀察記錄系統(tǒng)出現(xiàn)模型失配時(shí)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(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)信號(hào)的控制效果驗(yàn)證分析。1.4設(shè)計(jì)目的及意義1)通過(guò)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。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，迄今已有70多年的歷史

7、。PID控制的含義是：將經(jīng)過(guò)反饋后得到的偏差信號(hào)分別進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，將運(yùn)算的結(jié)果疊加后得到控制器的輸出信號(hào)。因其原理簡(jiǎn)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(shì)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(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中。?自1940年以來(lái)，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(dòng)化的水平儼然已經(jīng)成為了衡量一個(gè)國(guó)家各個(gè)領(lǐng)域現(xiàn)代化的重要標(biāo)準(zhǔn)。PID控制是一種閉環(huán)控制，PID控制算法選擇的不同，也使得控制系統(tǒng)所得到的結(jié)果不同，而系統(tǒng)的閉環(huán)特性很大