基于MATLAB的PID参数调整方法的仿真研究..doc

基于MATLAB的PID参数调整方法的仿真研究 院 系：物理与电气工程学院 专 业： 11级自动化 小组成员：温峰 刘晨阳 张建强 张高峰 周新春 指导老师： 郭 季 完成时间： 2013年10月18日 摘要：应用MATLAB 软件的MATLAB 语言编程和Simulink 仿真工具箱相结合的方式对过程控制中的PID参数整定方法：基于稳定性分析的经验整定法，工程整定法—扩充临界比例度法做了仿真研究，取得了好的仿真结果，对研究各种实际过程控制系统PID 参数在线调整具有理论指导意义。 关键词：PID参数整定；MATLAB；仿真 1 绪论 2 PID控制参数整定 常规的PID调节以消除误差和减少外扰为目的，，积分时间和微分时间，使整个控制系统得到良好的性能。准确有效的选定PID的最佳整定参数是关于PID控制器是否有效的关键部分。 一是理论计算整定法，二是通过在线实验的工程整定法。 理论计算整定法。它主要是依据被控对象准确的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法一般较难做到，同时，得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。 工程整定法。它不得到过程模型，主要依赖工程经验，在控制系统的试验中直接进行参数整定。方法简单实用，计算简便且易于掌握，可以解决一般的实际问题，在工程实际中被广泛采用。然而，无论采用哪一种方法整定所得到的控制参数，都需要在实际运行中进行最后的调整与完善。理论和实践证明，即便是整定得很好的PID参数值，系统响应的快速性与超调量之间也存在矛盾，二者不可能同时达到最优，且系统在跟踪设定值与抑制扰动方面对控制参数的要求也是矛盾的。下面从系统稳定性、响应速度、超调量和控制精度等各方面特性来分析PID三参数对PID控制品质的影响。 比例系数的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。越大，系统的响应速度越快，但将产生超调和振荡，甚至导致系统不稳定，因此值不能取的过大；如果值较小，则会降低调节精度，使响应速度变慢，从而延长调节时间，使系统动、静态特性变坏。 积分环节作用系数的作用在于消除系统的稳态误差。越大，积分速度越快，系统静差消除越快。但过大，在响应过程的初期以及系统在过渡过程中，会产生积分饱和现象，从而引起响应过程出现较大的超调，使动态性能变差。若过小，积分作用变弱，则系统的静差难以消除，过渡过程时间加长，不能较快的达到稳定状态，影响系统的调节精度和动态特性。 微分环节作用系数的作用在于改善系统的动态特性。因为PID控制器的微分环节只影响系统偏差的变化率，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前制动，降低超调，增加系统的稳定性。但过大，则会使响应过程过分提前制动，从而拖长调节时间，而且系统的抗干扰性也会变差。 3.1 系统数学模型的确定 基于带有延迟的一阶传递函数模型（）的传统PID控制经验公式，是John Ziegler和Nathaniel Nichols于20世纪40时年代提出的。他们著名的回路整定技术使得PID算法直到现在还被广泛地应用在工业领域内的反馈控制策略中。 Ziegler和Nichols对回路整定提出了一种方法。为一个定量过程的行为设计了一个测试，这个测试是根据当过程作用改变的时候、过程变量改变了多少以及改变速度而设计出来的。他们同时也建立了一套经验公式，将那些测试结果转化为控制器的正确的性能设置参数或者整定参数。 所谓对PID回路的“整定”就是指，调整控制器对实际值与设定值之间的误差产生的反作用的积极程度。如果正巧控制过程是相对缓慢的话，那么PID算法可以设置成只要有一个随机的干扰改变了过程变量或者一个操作改变了设定值时，就能采取快速和显著的动作。相反地，如果控制过程对执行器是特别地灵敏，而控制器是用来操作过程变量的话，那么PID算法必须在比较长的一段时间内应用更为保守的校正力。回路整定的本质就是确定对控制器作用产生的过程反作用的积极程度和PID算法对消除误差可以提供多大的帮助。 在实际的过程控制系统中，有大量的对象模型可以近似地由一阶模型来表示。这个对象模型可以表示为： 尤其对于一些无法用机理方法进行建模的系统，可用时域法和频域法对模型参数进行整定。 经过多年的发展，Ziegler-Nichols方法已经发展成为一种在参数设定中，处于经验和计算法之间的中间方法。这种方法可以为控制器确定非常精确的参数，在此之后也可进行微调。 3.2 基于时域响应曲线的整定 ：用阶跃响应曲线来整定控制器的参数。 设想对被控对象(开环系统)施加一个阶跃信号，通过实验方法，测出其响应信号，根据这条阶跃响应曲线定出一些能反映控制对象动态特性的参