PID控制算法的MATLAB仿真研究.doc

计算机控制技术 课程设计 前言 PID（Proportion?Integration?Differentiation比例-积分-微分）控制规律作为经典控制理论的最大成果之一，由于其原理简单且易于实现，具有一定的自适应性和鲁棒性，对于无时间延时的单回路控制系统很有效，在目前的工业过程控制中仍被广泛采用。PID控制器作为最早实用化的控制器已经有50多年历史，它是经典控制中用于过程控制最有效的策略之一，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型，只需在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数，经过经验进行调节器参数在线整定，即可取得满意的结果，具有很大的适应性和灵活性。 PID控制中的积分作用可以减少稳态误差，微分作用可以提高响应速度。但另一方面积分作用容易导致积分饱和，使系统超调量增大，微分作用对高频干扰特别敏感，?甚至导致系统失稳。PID控制本质上属于线性控制，因此对于具有很强非线性的对象来说，控制效果具有先天的不足。对于这种情况，就应该采用具有非线性特性的控制方法，以适应整个系统的特点。 PID控制是一种比较理想的控制方式，它在比例的基础上引入了积分，消除了偏差；又加入微分，提高了系统的稳定性。PID控制算法是将描述连续过程的微分方程转化成离散化的差分方程从而进行控制计算。 本文正是从这一观点出发，仿真设计出了一种PID参数整定方法，实现对原有PID控制性能的提高。利用Matlab/Simulink对其进行仿真，并对PID控制和原PID系统进行对比分析。 一、设计任务书 1.1 任务的提出 采用带纯滞后的一阶惯性环节作为系统的被控对象模型，传递函数为，其中各参数分别为：，，。对PID控制算法的仿真研究从以下4个方面展开： PID控制器调节参数的整定。PID参数的选定对控制系统能否得到好的控制效果是至关重要的，PID参数的整定方法有很多种，可采用理论整定法（如ZN法）或者实验确定法（比如扩充临界比例度法、试凑法等），也可采用如模糊自适应参数整定、遗传算法参数整定等新型的PID参数整定方法。选择某种方法对参数整定后，在MATLAB上对系统进行数字仿真，绘制系统的阶跃响应曲线，从动态和静态特性的性能指标评价系统控制效果的优劣； 改变对象模型参数，通过仿真实验讨论PID控制参数在被控对象模型失配情况下的控制效果。由于在实际生产过程的控制中，用模型表示被控对象时往往存在一定误差，且参数也不可能是固定不变的。在已确定控制器最优PID调节参数下，仿真验证对象模型的3个参数（）中某一个参数变化（不超过原值的）时，系统出现模型失配时控制效果的改变并分析原因； 执行机构非线性对PID控制器控制效果的分析研究。在控制器输出后加入非线性环节（如饱和非线性、死区非线性等），从仿真结果分析、讨论执行机构的非线性对控制效果的影响。 待系统稳定后，给系统施加小的扰动信号，观察此时系统的响应曲线，分析对不同的扰动信号类型（如脉冲信号、阶跃）和不同的信号作用位置（如在系统的测量输出端或控制器输出后位置）情况下，系统是否仍然稳定，并与无扰动情况下的响应曲线进行比较。 1.2 相关理论知识 （1）PID算法原理；（2）PID控制器调节参数的整定方法；（3）MATLAB中动态仿真工具箱Simulink的使用。 1.3 内容及步骤 1）首先选择一种PID控制器调节参数的整定方法，得到最优调节参数； 2）打开MATLAB，启动SIMULINK工具箱，创建一个如下图所示仿真控制系统；观察系统阶跃响应曲线，记录动态特性指标值。 3）分别修改参数、和值（不超过原值的），观察记录系统出现模型失配时控制效果的改变，分析原因； 4）仿真验证执行机构非线性的作用验证分析； 5）PID控制对系统扰动信号的控制效果验证分析。 1.4 设计目的及意义 1)通过本课程设计进一步巩固PID算法基本理论以及数字控制器实现的认识和掌握，归纳和总结PID控制算法在实际运用中的一些特性； 2) 熟悉MATLAB语言及其在控制系统设计中的应用，提高学生对控制系统程序设计的能力。 PID控制是最早应用于工业工程实践当中的控制方式，迄今已有70多年的历史。PID控制的含义是：将经过反馈后得到的偏差信号分别进行比例、积分、微分运算，将运算的结果叠加后得到控制器的输出信号。因其原理简单、稳定性高、调整方便、适用范围广、控制效果强等一系列优势成为了工业生产当中最常用，也是最广泛的一种控制方式。尤其适用于能够建立数学模型的自动控制系统当中。? 自1940年以来，PID控制技术就被广泛应用于机械、化工、电力、冶金等工业生产当中。在科学技术飞速发展的现在，工业自动化的水平俨然已经成为了衡量一个国家各个领域现代化的重要标准。PID