計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)---pid控制器

1、<p><b>　　前 言</b></p><p>　　在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它 以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的 其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)

2、必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或 不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、 積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 </p><p>　　1、比例（P）控制 </p><p>　　比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的

3、輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 </p><p>　　2、積分（I）控制 </p><p>　　在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的 或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）

4、。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積 分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn) 態(tài)誤差。 </p><p>　　3、微分（D）控制 </p><p>　　在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信

5、號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入 “比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，

6、這樣，具有比例+微分的控制器，就能 夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在 調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　　1.1 PID控制器的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　從傳遞函數(shù)的角度分析，理想的PID控制器傳遞函數(shù)為</p><p>　　式中，Kp 、K

7、i和Kd 分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。通常，理想的PID控制器寫成如下結(jié)構(gòu)形式：</p><p>　　式中，Ti=Kp/Ki為積分時(shí)間常數(shù)，Td=Kd/Kp微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　1.2 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　一般的模擬PID調(diào)節(jié)器：</p><p>　　本文研究分析的PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖：

8、</p><p>　　圖中，其中r(t)是系統(tǒng)的參考輸入，e(t)是系統(tǒng)偏差，u(t)是系統(tǒng)的控制量，G0(s)是系統(tǒng)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，D(z)是待設(shè)計(jì)控制器的脈沖傳遞函數(shù)。</p><p><b>　　設(shè)控制信號(hào)為：</b></p><p><b>　　1.3建系統(tǒng)初模型</b></p><p>

9、;　　假設(shè)系統(tǒng)采樣周期T=0.5s，系統(tǒng)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　利用MATLAB中的simulink仿真，建立初始模型框圖：</p><p><b>　　仿真的結(jié)果：</b></p><p><b>　　仿真分析：</b></p><p>　　該系統(tǒng)的超調(diào)量非常大，響應(yīng)時(shí)間也很長(zhǎng)

10、。所以引入PID控制器。</p><p>　　1.4建系統(tǒng)PID控制模型</p><p>　　在初始系統(tǒng)模型上加入PID控制器，研究對(duì)系統(tǒng)性能的影響。</p><p>　　PID控制模型如下圖：</p><p>　　1.5 PID調(diào)節(jié)作用分析</p><p>　　PID控制是通過(guò)三個(gè)參量Kp、Ti、Td起作用的。這三個(gè)

11、參量取值的大小不同，就是比例、積分、微分作用強(qiáng)弱的變化。為了說(shuō)明每個(gè)參量單獨(dú)變化時(shí)對(duì)于系統(tǒng)性能的影響，當(dāng)討論某一個(gè)參數(shù)變化產(chǎn)生的影響時(shí)，將保持另外兩個(gè)參量為某一常數(shù)不變，這樣得出的結(jié)論，概念更加清晰。</p><p>　?。?） 比例調(diào)節(jié)作用分析</p><p>　　為了分析比例調(diào)節(jié)作用，考查當(dāng)Td=0、Ti =1，Kp取不同值時(shí)對(duì)系統(tǒng)階躍給定響應(yīng)的影響。</p><p

12、><b>　　Kp=1 時(shí)：</b></p><p><b>　　Kp=2.5 時(shí)：</b></p><p><b>　　Kp=5 時(shí)：</b></p><p><b>　　Kp=10時(shí)：</b></p><p><b>　　Kp=25時(shí)：

13、</b></p><p>　　由上面的仿真結(jié)果，我們可以分析出比例系數(shù)Kp 的作用：加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。當(dāng)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少誤差。Kp 越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　?。?） 積分調(diào)節(jié)作用分析</p><p>　　為分析積分調(diào)節(jié)作用，考查

14、當(dāng)Td=0、Kp=2.5， Ti 等于不同值時(shí)對(duì)系統(tǒng)階躍給定響應(yīng)的影響。</p><p><b>　　Ti=0.1時(shí)</b></p><p><b>　　Ti=0.5時(shí)</b></p><p><b>　　Ti=0.7時(shí)</b></p><p><b>　　Ti=1.

15、5時(shí)</b></p><p><b>　　Ti=3.5時(shí)</b></p><p>　　由上面的仿真結(jié)果，我們可以分析出積分系數(shù)Ti 的作用： 消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。越大積分速度越快，系統(tǒng)靜差消除越快，但過(guò)大在響應(yīng)過(guò)程初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程出現(xiàn)較大超調(diào)，使動(dòng)態(tài)性能變差； 過(guò)小則會(huì)使積分作用變?nèi)?，使系統(tǒng)

16、的靜差難以消除，過(guò)渡時(shí)間加長(zhǎng)，不能盡快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　　（3） 微分調(diào)節(jié)作用分析</p><p>　　為分析微分調(diào)節(jié)作用，考查當(dāng)Ti=0.1、Kp=2.5，Td取不同值時(shí)對(duì)系統(tǒng)階躍給定響應(yīng)的影響。</p><p><b>　　Td=0.1時(shí)</b></p><p><

17、b>　　Td=0.6時(shí)</b></p><p><b>　　Td=0.9時(shí)</b></p><p><b>　　Td=2.7時(shí)</b></p><p><b>　　Td=8時(shí)</b></p><p>　　由上面的仿真結(jié)果，我們可以分析出微分系數(shù)Td的作用：改善

18、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率并預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，能產(chǎn)生超前的控制作用，使系統(tǒng)的超調(diào)降低，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。但不能過(guò)大，過(guò)大則會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)和延長(zhǎng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且還會(huì)使系統(tǒng)的抗干擾性變差。</p><p><b>　　1.6 心得體會(huì)</b></p><p>　　這一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)，感覺(jué)所用的知識(shí)跟計(jì)算機(jī)控制技術(shù)這門課并沒(méi)有多大聯(lián)系，用到更多的還是

19、上學(xué)期學(xué)習(xí)的自動(dòng)控制理論和Matlab仿真方面的知識(shí)和內(nèi)容，在上學(xué)期，這兩門課的老師就一直鼓勵(lì)我們將自動(dòng)控制理論知識(shí)跟輔助計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件結(jié)合起來(lái)運(yùn)用，而這學(xué)期借著這個(gè)課程設(shè)計(jì)，我們有機(jī)會(huì)結(jié)合運(yùn)用我們專業(yè)所學(xué)過(guò)的知識(shí)，小組成員共同著手從各方面去討論確定課題、制定方案，再到驗(yàn)證理論，這整個(gè)過(guò)程培養(yǎng)的是一種理論與實(shí)際結(jié)合的能力，更是一種課題研究的思路和思維，這為我們大四的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了一個(gè)必要的基礎(chǔ)。</p><p>

20、<b>　　1.7參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 朱玉璽等. 計(jì)算機(jī)控制技術(shù). 北京：電子工業(yè)大學(xué)出版社，2005.6</p><p>　　[2] 薛定宇著. 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)-MATLAB語(yǔ)言與應(yīng)用. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.3</p><p>　　[3] 馬建偉，李銀伢.滿意PID控制設(shè)計(jì)理論與方法. 北京

21、：科學(xué)出版社，2007</p><p>　　[4] 張玉明. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì). 北京：中國(guó)電力出版社，2000.8</p><p>　　[5] 魏巍. MATLAB控制工程工具箱技術(shù)手冊(cè). 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.1</p><p>　　[6] 薛定宇著. 控制數(shù)學(xué)問(wèn)題的MATLAB求解. 北京：清華大學(xué)出版社，2007.11</p&g