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《控制系統(tǒng)pid校正器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn).doc》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、實(shí)驗(yàn)五控制系統(tǒng)的PID校正器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解PID校正器的數(shù)學(xué)模型。2.學(xué)習(xí)PID校正的原理及參數(shù)整定方法。3．學(xué)習(xí)在Simulink中建立PID控制器系統(tǒng)的模型并進(jìn)行仿真。二、相關(guān)知識(shí)PID控制器（ProportionIntegrationDifferentiation，比例積分微分控制器）作為最早實(shí)用化的控制器已有70多年的歷史，是目前工業(yè)控制中應(yīng)用最廣泛的控制器。PID控制器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，且使用中無(wú)需精確的系統(tǒng)模型等優(yōu)點(diǎn)，因此，95%以上的現(xiàn)代工業(yè)過(guò)程控制中仍然采用PID結(jié)構(gòu)。PID控制器由比例單元P、積
2、分單元I和微分單元D三部分組成，其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖6-1所示。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，PID控制器就是對(duì)輸入信號(hào)r(t)和輸出信號(hào)c(t)的差值e(t)（即誤差信號(hào)）進(jìn)行比例、積分和微分處理，再將其加權(quán)和作為控制信號(hào)u(t)來(lái)控制受控對(duì)象，從而完成控制過(guò)程的。圖1.8PID控制器結(jié)構(gòu)原理框圖PID控制器可用公式（1-1）描述。式中，KP、KI和KD分別為比例、積分和微分系數(shù)；TI和TD分別為積分和微分時(shí)間。一個(gè)PID控制器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于設(shè)定KP、KI和KD三個(gè)參數(shù)的值。實(shí)際使用時(shí)，不一定三個(gè)單元都具備，也可以只選取其中的一個(gè)或兩個(gè)單元組成控制
3、器。1.比例控制器P比例控制是最簡(jiǎn)單的控制方法之一。比例控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比31例關(guān)系，其傳遞函數(shù)如公式（1-2）所示。式中，KP為比例系數(shù)（增益），其值可正可負(fù)。比例控制只改變系統(tǒng)增益，不影響相位。僅采用比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。增大KP可以提高系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但是會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。2.積分控制器I積分控制器的傳遞函數(shù)如公式（1-3）所示。式中，KI為積分系數(shù)。積分控制器的主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但是，積分單元的引入會(huì)帶來(lái)相位滯后，為系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)不良影響，
4、設(shè)置積分控制器可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，積分控制單元一般不單獨(dú)作為控制器使用，而是結(jié)合比例單元P和微分單元D組成PI或PID控制器使用。3.比例積分控制器PI加入了比例單元和積分單元后的控制器稱為比例積分控制器，即PI控制器，其傳遞函數(shù)如公式（1-4）所示。式中，KP和KI分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)；TI為積分時(shí)間。PI控制器兼具比例控制器和積分控制器的優(yōu)點(diǎn)，因此，工程中常用來(lái)改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能，減小或消除穩(wěn)態(tài)誤差。4.比例微分控制器PD加入了比例單元和微分單元后的控制器稱為比例微分控制器，即PD控制器，其傳遞函數(shù)如公式（1-5）所
5、示。式中，KP和KD分別為比例系數(shù)和微分系數(shù)；TD為微分時(shí)間。微分單元可以對(duì)系統(tǒng)誤差的變化進(jìn)行超前的預(yù)測(cè)，從而避免被控系統(tǒng)的超調(diào)量過(guò)大，同時(shí)減小32系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。微分單元可以反映誤差的變化率，只有誤差隨時(shí)間變化時(shí)，微分控制才會(huì)起作用，而處理無(wú)變化或者變化緩慢的對(duì)象時(shí)不起作用。因此，微分單元D不能與被控系統(tǒng)單獨(dú)串聯(lián)使用，而是結(jié)合比例單元P和積分單元I組成PD或PID控制器使用。5.比例積分微分控制器PID同時(shí)兼具比例單元、積分單元和微分單元的控制器稱為比例積分微分控制器，即PID控制器，其傳遞函數(shù)如公式（1-6）所示。式中，KP
6、、KI和KD分別為比例、積分和微分系數(shù)；TI和TD分別為積分和微分時(shí)間。PID控制器兼有PI控制器和PD控制器的優(yōu)點(diǎn)，既可以減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，加快響應(yīng)速度，又可以減小超調(diào)量。實(shí)際工程中，PID控制器被廣泛應(yīng)用。6.PID控制器的Ziegler-Nichols參數(shù)整定法PID控制器的參數(shù)整定是指確定PID控制器的比例系數(shù)KP、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD，是PID控制器設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。PID控制器參數(shù)整定方法主要分為理論計(jì)算法和工程整定法。理論計(jì)算法是根據(jù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。工程整定法是按照工程經(jīng)驗(yàn)公式確定控制
7、器參數(shù)，主要有Ziegler-Nichols整定法、臨界振蕩法、衰減曲線法和湊試法。工程整定法與理論計(jì)算法相比優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可以直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定，方法簡(jiǎn)單，容易掌握。需要注意的是，無(wú)論采取上述哪種方法整定PID控制器參數(shù)，都需要在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后的調(diào)整和完善。下面介紹Ziegler-Nichols整定法。Ziegler-Nichols整定法只對(duì)被控對(duì)象的單位階躍響應(yīng)曲線為“S”型曲線的系統(tǒng)才可用，如圖1.9所示，否則不適用。式中，K為放大系數(shù)，L為延遲時(shí)間，T為圖1.9“S”型響應(yīng)曲線示意圖33時(shí)間常
8、數(shù)。通過(guò)Ziegler-Nichols整定法確定PID控制器中比例系數(shù)KP、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD值的步驟如下：1）首先，獲取開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線，判斷系統(tǒng)是否適用Ziegler-Nichols整定法。2）按照?qǐng)D1.9所示的“S”型響應(yīng)曲線參數(shù)求法，確
