基于MATLAB的PID控制器设计报告.doc

--基于控制系统的PID调节
基于MATLAB的PID 控制器
摘要:本论文主要研究PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法,大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器(亦称调节器)及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器,若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中,参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展,对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件,例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本论文主要介绍PID的原理及简单的用法,探究控制器中各个参数对系统的影响,就是利用《自动控制原理》和《MATLAB》所学的内容利用简单的方法研究PID控制器的设计方法,并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。
关键字:PID控制简介 PID控制器原理 MATLAB仿真 PID参数的设定
正文:
一、PID控制简介
PID控制器又称PID调节器,是工业过程控制系统中常用的有源校正装置。长期以来,工业过程控制系统中多采用气动式PID控制器。由于气动组件维修方便,使用安全可靠,因此在某些特殊场合,例如爆炸式环境,仍然使用气动式PID控制器。随着运算放大器的发展和集成电路可靠性的日益提高,电子式PID控制器已逐渐取代了气动式PID控制器。目前,已在开发微处理器PID控制器。这里,仅简要介绍PID控制器的主要特性。
PID调节器是一种线性调节器,它根据给定值与实际输出值构成的控制偏差: =-
将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量,对控制对象进行控制,故称为PID调节器。在实际应用中,常根据对象的特征和控制要求,将P、I、D基本控制规律进行适当组合,以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如,P调节器,PI调节器,PID调节器等。
所以, 正确计算控制器的参数, 有效合理地实现 PID控制器的设计,对于PID 控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。
二、原理分析与说明
PID 控制器由比例单元( P )、积分单元( I )和微分单元( D )组成。其输入 e (t) 与输出 u (t) 的关系为公式(1-1)
公式(1-1)因此它的传递函数为公式(1-2)
公式(1-2)
比例调节作用:是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例
,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用:是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用:微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。
PID控制器由于用途广泛、使用灵活,已有系列化产品,使用中只需设定三个参数( Kp ,  Ki 和 Kd )即可。在很多情况下,并不一定需要全部三个单元,可以取其中的一到两个单元,但比例控制单元是必不可少的。
首先,PID应用范围广。虽然很多控制过程是非线性或时变的,但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统,这样PID就可控制了。
其次,PID参数较易整定。也就是,PID参数Kp,Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化,例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化, PID 参数就可以重新整定。
第三,PID控制器在实践中也不断的得到改进,下面两个改进的例子,在工厂,总是能看到许多回路都处于手动状态,原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足,采用 PID 的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在,自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。
比例、积分、微分
比例
图2-2 比例电路
公式(2-1)
积分器
图2-3 积分电路
公式(2-2)