計算機控制課程設(shè)計---pid控制算法的matlab仿真研究

1、<p><b>　　《計算機控制》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　題 目：《PID控制算法的MATLAB仿真研究》</p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　班

2、 級： 三班 學號： </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　時 間：11年12月23日～11年12月30日</p><p>　　―――――――以下指導教師填寫―――――</p><p>　　分項成績：出勤 設(shè)計報告

3、 </p><p>　　總成績： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　PID控制算法的MATLAB仿真研究</p><p><b>　　問題提出</b></p><

4、;p>　　控制算法是實際工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的控制算法，它具有控制器設(shè)計簡單，控制效果好等優(yōu)點?？刂破鲄?shù)的設(shè)置是否合適對其控制效果具有很大的影響，在本課程設(shè)計中一具有較大慣性時間常數(shù)和純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)作為被控對象的模型對控制算法進行研究。被控對象的傳遞函數(shù)如下：</p><p>　　其中各參數(shù)分別為。MATLAB仿真框圖附圖1所示。</p><p><b>　　附圖

5、1</b></p><p><b>　　具體內(nèi)容及實現(xiàn)功能</b></p><p><b>　　參數(shù)整定</b></p><p>　　控制器的控制參數(shù)對其控制效果起著決定性的作用，合理設(shè)置控制參數(shù)是取得較好的控制效果的先決條件。常用的參數(shù)整定方法有理論整定法和實驗整定法兩類，其中常用的實驗整定法由擴充臨界比例度

6、法、試湊法等。在此處選用擴充臨界比例度法對進行整定，其過程如下：</p><p>　　選擇采樣周期 由于被控對象中含有純滯后，且其滯后時間常數(shù)為，故可選擇采樣周期。</p><p>　　令積分時間常數(shù)，微分時間常數(shù)，從小到大調(diào)節(jié)比例系數(shù)，使得系統(tǒng)發(fā)生等幅震蕩，記下此時的比例系數(shù)和振蕩周期。</p><p>　　選擇控制度為，按下面公式計算各參數(shù)：</p>

7、<p>　　通過仿真可得在時，，如附圖2所示，</p><p><b>　　附圖2 </b></p><p><b>　　故可得：</b></p><p>　　按此組控制參數(shù)得到的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線如附圖3所示。</p><p><b>　　附圖3</b></

8、p><p>　　由響應(yīng)曲線可知，此時系統(tǒng)雖然穩(wěn)定，但是暫態(tài)性能較差，超調(diào)量過大，且響應(yīng)曲線不平滑。根據(jù)以下原則對控制器參數(shù)進行調(diào)整以改善系統(tǒng)的暫態(tài)過程：</p><p>　　通過減小采樣周期，使響應(yīng)曲線平滑。</p><p>　　減小采樣周期后，通過增大積分時間常數(shù)來保證系統(tǒng)穩(wěn)定。</p><p>　　減小比例系數(shù)和微分時間常數(shù)，以減小系統(tǒng)的超調(diào)

9、。</p><p>　　改變控制器參數(shù)后得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示，系統(tǒng)的暫態(tài)性得到明顯改善.</p><p><b>　　程序：</b></p><p>　　plot(tout,yout)</p><p>　　>> grid on</p><p><b>　　附圖4&

10、lt;/b></p><p>　　最終，選擇采樣周期為，PID控制器的控制參數(shù)為：</p><p>　　此時，系統(tǒng)的超調(diào)量為，上升時間為，調(diào)整時間為。穩(wěn)態(tài)誤差為。</p><p>　　模型失配對控制器控制效果的影響</p><p>　　實際中，由于建模誤差以及被控對象的參數(shù)變化，都會使得被控對象傳遞函數(shù)參數(shù)不準確。一個性能優(yōu)良的控制器應(yīng)

11、該在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時依然具有良好的控制性能，既具有較強的魯棒性。控制器的魯棒性強弱是由控制器參數(shù)確定后系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度決定的。下面通過仿真分析被控對象參數(shù)變化時控制器的控制效果。</p><p>　　當被控對象的比例系數(shù)增大時，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如附圖5所示，此時系統(tǒng)的個暫態(tài)性能指標為：</p><p>　　相對參數(shù)未變時單位階躍響應(yīng)而言，系統(tǒng)的超調(diào)量增大，上升時間和調(diào)整時間都減小，但

12、是，各性能指標的變化量都比較小。這是因為，被控對象的比例系數(shù)增大使得系統(tǒng)的開環(huán)增益變大，故而系統(tǒng)響應(yīng)的快速性得到提高，但超調(diào)量也隨之增大。從被控對象的比例系數(shù)變化時系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)可知，當被控對象的比例系數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時，對控制器的控制效果不會產(chǎn)生太大影響。</p><p><b>　　附圖5</b></p><p>　　當被控對象的慣性時間常數(shù)增大時，系統(tǒng)的單

13、位階躍響應(yīng)曲線如附圖6所示，此時系統(tǒng)的個暫態(tài)性能指標為：</p><p><b>　　程序：</b></p><p>　　plot(tout,yout)</p><p>　　>> grid on</p><p>　　>> hold on</p><p>　　>>

14、 plot(tout,yout,'r--')</p><p><b>　　>></b></p><p><b>　　附圖6</b></p><p>　　相對參數(shù)未變時單位階躍響應(yīng)而言，被控對象的慣性時間常數(shù)增大使得系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，故而，使得系統(tǒng)的超調(diào)量減小，上升時間和調(diào)整時間都增大。又各性能

15、指標的變化量都比較小，故可知，當被控對象的慣性時間常數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時，對控制器的控制效果不會產(chǎn)生太大影響。</p><p>　　當被控對象的純滯后時間常數(shù)增大時，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如附圖7所示，此時系統(tǒng)的個暫態(tài)性能指標為：</p><p><b>　　附圖7</b></p><p>　　非線性對控制器控制效果的影響</p>

16、<p><b>　　附圖8</b></p><p>　　實際的控制系統(tǒng)中往往存在非線性，如執(zhí)行機構(gòu)的非線性。系統(tǒng)的非線性將會對控制器的控制效果產(chǎn)生影響，下面通過仿真研究非線性對控制器控制效果的影響。</p><p>　　在原控制系統(tǒng)仿真框圖中控制器輸出后加飽和非線性環(huán)節(jié)，得到圖8所示的框圖。在保持其它參數(shù)不變的情況下得到其階躍響應(yīng)曲線如附圖9所示。從響應(yīng)曲

17、線可知，加入非線性環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的超調(diào)量、上升時間、調(diào)整時間均增大，控制效果變壞。</p><p><b>　　附圖9</b></p><p>　　擾動對控制器控制效果的影響</p><p>　　實際的控制系統(tǒng)中，被控對象和檢測通道往往會受到多種因素的影響，從而對控制效果產(chǎn)生影響，下面分別以加在前向通道和反饋通道上的脈沖擾動和階躍擾動為例探討擾動

18、對控制系統(tǒng)的影響。</p><p>　　前向通道上的擾動對控制效果的影響：</p><p>　　在前向通道上控制器輸出之后加脈沖擾動和階躍擾動信號時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線分別如附圖10和附圖11所示。由響應(yīng)曲線可知，系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，前向通道上的擾動信號將使得控制系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生波動，但通過控制器的作用，控制系統(tǒng)經(jīng)過一個過渡過程后將會恢復原來的穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p><

19、;b>　　附圖10</b></p><p><b>　　附圖11</b></p><p>　　反饋通道上的擾動對控制效果的影響：</p><p>　　在反饋通道上加脈沖擾動和階躍擾動信號時，控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線分別如附圖12和附圖13所示.由響應(yīng)曲線可知，控制系統(tǒng)輸出隨著反饋通道上的擾動變化而變化，且由反饋通道上的擾動引起的誤差

20、不能被消除。但是當擾動消失時，控制系統(tǒng)也恢復原來的穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p><b>　　附圖12</b></p><p><b>　　附圖13</b></p><p><b>　　分析與總結(jié)</b></p><p>　　通過上面的仿真研究可知，對于大慣性、大滯后的被控對象采用

21、進行控制時，要取得較好的控制效果，需要合理里設(shè)置積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)，控制器無法克服被控對象的純滯后，故起始時刻偏差信號較大，積分作用太強時就會使得系統(tǒng)振蕩次數(shù)大、調(diào)整時間長，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以，在整定參數(shù)時，應(yīng)當適當增大積分時間常數(shù)，減小積分作用以得到較好的控制效果。適當增強微分作用，能夠在一定程度上改善大慣性對象動態(tài)性能，在滿足超調(diào)量要求的情況下加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。</p><p>　　通過本次課

22、程設(shè)計，掌握了PID控制基本原理和實現(xiàn)方法，并結(jié)合了MATLAB仿真平臺能夠構(gòu)建一個根據(jù)不同工況的仿真系統(tǒng)控制系統(tǒng)，我對分析和解決有關(guān)PID控制的實際控制問題的綜合能力有了一定的提高。</p><p><b>　　參考資料</b></p><p>　　張宇河.計算機控制系統(tǒng)[M]。北京：北京理工大學出版社，2002.</p><p>　　薛定宇