计算机控制课程设计---PID控制算法的MATLAB仿真研究.doc

《计算机控制》
课程设计报告
题目:《PID控制算法的MATLAB仿真研究》
专业: 自动化
班级: 三班学号:
学生姓名:
时间:11年12月23日~11年12月30日
―――――――以下指导教师填写―――――
分项成绩:出勤设计报告
总成绩:
指导教师:
PID控制算法的MATLAB仿真研究
问题提出
控制算法是实际工业控制中应用最为广泛的控制算法,它具有控制器设计简单,控制效果好等优点。控制器参数的设置是否合适对其控制效果具有很大的影响,在本课程设计中一具有较大惯性时间常数和纯滞后的一阶惯性环节作为被控对象的模型对控制算法进行研究。被控对象的传递函数如下:
其中各参数分别为。MATLAB仿真框图附图1所示。
附图1
具体内容及实现功能
参数整定
控制器的控制参数对其控制效果起着决定性的作用,合理设置控制参数是取得较好的控制效果的先决条件。常用的参数整定方法有理论整定法和实验整定法两类,其中常用的实验整定法由扩充临界比例度法、试凑法等。在此处选用扩充临界比例度法对进行整定,其过程如下:
选择采样周期由于被控对象中含有纯滞后,且其滞后时间常数为,故可选择采样周期。
令积分时间常数,微分时间常数,从小到大调节比例系数,使得系统发生等幅震荡,记下此时的比例系数和振荡周期。
选择控制度为,按下面公式计算各参数:
通过仿真可得在时,,如附图2所示,
附图2

故可得:
按此组控制参数得到的系统阶跃响应曲线如附图3所示。

附图3

由响应曲线可知,此时系统虽然稳定,但是暂态性能较差,超调量过大,且响应曲线不平滑。根据以下原则对控制器参数进行调整以改善系统的暂态过程:
通过减小采样周期,使响应曲线平滑。
减小采样周期后,通过增大积分时间常数来保证系统稳定。
减小比例系数和微分时间常数,以减小系统的超调。
改变控制器参数后得到系统的阶跃响应曲线如图4所示,系统的暂态性得到明显改善.
程序:
plot(tout,yout)
>> grid on

附图4

最终,选择采样周期为,PID控制器的控制参数为:
此时,系统的超调量为,上升时间为,调整时间为。稳态误差为。
模型失配对控制器控制效果的影响
实际中,由于建模误差以及被控对象的参数变化,都会使得被控对象传递函数参数不准确。一个性能优良的控制器应该在系统参数发生变化时依然具有良好的控制性能,既具有较强的鲁棒性。控制器的鲁棒性强弱是由控制器参数确定后系统的稳定裕度决定的。下面通过仿真分析被控对象参数变化时控制器的控制效果。
当被控对象的比例系数增大时,系统的单位阶跃响应曲线如附图5所示,此时系统的个暂态性能指标为:
相对参数未变时单位阶跃响应而言,系统的超调量增大,上升时间和调整时间都减小,但是,各性能指标的变化量都比较小。这是因为,被控对象的比例系数增大使得系统的开环增益变大,故而系统响应的快速性得到提高,但超调量也随之增大。从被控对象的比例系数变化时系统的单位阶跃响应可知,当被控对象的比例系数在一定范围内变化时,对
控制器的控制效果不会产生太大影响。
附图5

当被控对象的惯性时间常数增大时,系统的单位阶跃响应曲线如附图6所示,此时系统的个暂态性能指标为:
程序:
plot(tout,yout)
>> grid on
>> hold on
>> plot(tout,yout,'r--')
>>
附图6

相对参数未变时单位阶跃响应而言,被控对象的惯性时间常数增大使得系统的响应速度变慢,故而,使得系统的超调量减小,上升时间和调整时间都增大。又各性能指标的变化量都比较小,故可知,当被控对象的惯性时间常数在一定范围内变化时,对控制器的控制效果不会产生太大影响。
当被控对象的纯滞后时间常数增大时,系统的单位阶跃响应曲线如附图7所示,此时系统的个暂态性能指标为:
附图7

非线性对控制器控制效果的影响
附图8

实际的控制系统中往往存在非线性,如执行机构的非线性。系统的非线性将会对控制器的控制效果产生影响,下面通过仿真研究非线性对控制器控制效果的影响。
在原控制系统仿真框图中控制器输出后加饱和非线性环节,得到图8所示的框图。在保持其它参数不变的情况下得到其阶跃响应曲线如附图9所示。从响应曲线可知,加入非线性环节后,系统的超调量、上升时间、调整时间均增大,控制效果变坏。
附图9

扰动对控制器控制效果的影响
实际的控制系统中,被控对象和检测通道往往会受到多种因素的影响,从而对控制效果产生影响,下面分别以加在前向通道和反馈通道上的脉冲扰动和阶跃扰动为例探讨扰动对控制系统的影响。
前向通道上的扰动对控制效果的影响:
在前向通