計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)---pid控制算法的matlab仿真研究

1、<p><b>　　《計(jì)算機(jī)控制》</b></p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　題 目：《PID控制算法的MATLAB仿真研究》</p><p>　　專 業(yè)： 自動(dòng)化 </p><p>　　班

2、 級(jí)： 三班 學(xué)號(hào)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　時(shí) 間：11年12月23日～11年12月30日</p><p>　　―――――――以下指導(dǎo)教師填寫―――――</p><p>　　分項(xiàng)成績(jī)：出勤 設(shè)計(jì)報(bào)告

3、 </p><p>　　總成績(jī)： </p><p>　　指導(dǎo)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(shí)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(jì)簡(jiǎn)單，控制效果好等優(yōu)點(diǎn)。控制器參數(shù)的設(shè)置是否合適對(duì)其控制效果具有很大的影響，在本課程設(shè)計(jì)中一具有較大慣性時(shí)間常數(shù)和純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)作為被控對(duì)象的模型對(duì)控制算法進(jìn)行研究。被控對(duì)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(shí)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(duì)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(shí)驗(yàn)整定法兩類，其中常用的實(shí)驗(yàn)整定法由擴(kuò)充臨界比例度

6、法、試湊法等。在此處選用擴(kuò)充臨界比例度法對(duì)進(jìn)行整定，其過程如下：</p><p>　　選擇采樣周期 由于被控對(duì)象中含有純滯后，且其滯后時(shí)間常數(shù)為，故可選擇采樣周期。</p><p>　　令積分時(shí)間常數(shù)，微分時(shí)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(shí)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(jì)算各參數(shù)：</p>

7、<p>　　通過仿真可得在時(shí)，，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(shí)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(duì)控制器參數(shù)進(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量為，上升時(shí)間為，調(diào)整時(shí)間為。穩(wěn)態(tài)誤差為。</p><p>　　模型失配對(duì)控制器控制效果的影響</p><p>　　實(shí)際中，由于建模誤差以及被控對(duì)象的參數(shù)變化，都會(huì)使得被控對(duì)象傳遞函數(shù)參數(shù)不準(zhǔn)確。一個(gè)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(shí)依然具有良好的控制性能，既具有較強(qiáng)的魯棒性?？刂破鞯聂敯粜詮?qiáng)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(duì)象參數(shù)變化時(shí)控制器的控制效果。</p><p>　　當(dāng)被控對(duì)象的比例系數(shù)增大時(shí)，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如附圖5所示，此時(shí)系統(tǒng)的個(gè)暫態(tài)性能指標(biāo)為：</p><p>　　相對(duì)參數(shù)未變時(shí)單位階躍響應(yīng)而言，系統(tǒng)的超調(diào)量增大，上升時(shí)間和調(diào)整時(shí)間都減小，但

12、是，各性能指標(biāo)的變化量都比較小。這是因?yàn)?，被控?duì)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(duì)象的比例系數(shù)變化時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)可知，當(dāng)被控對(duì)象的比例系數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)控制器的控制效果不會(huì)產(chǎn)生太大影響。</p><p><b>　　附圖5</b></p><p>　　當(dāng)被控對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)增大時(shí)，系統(tǒng)的單

13、位階躍響應(yīng)曲線如附圖6所示，此時(shí)系統(tǒng)的個(gè)暫態(tài)性能指標(biāo)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(duì)參數(shù)未變時(shí)單位階躍響應(yīng)而言，被控對(duì)象的慣性時(shí)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(shí)間和調(diào)整時(shí)間都增大。又各性能

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

16、<p><b>　　附圖8</b></p><p>　　實(shí)際的控制系統(tǒng)中往往存在非線性，如執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非線性。系統(tǒng)的非線性將會(huì)對(duì)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(duì)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(shí)間、調(diào)整時(shí)間均增大，控制效果變壞。</p><p><b>　　附圖9</b></p><p>　　擾動(dòng)對(duì)控制器控制效果的影響</p><p>　　實(shí)際的控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象和檢測(cè)通道往往會(huì)受到多種因素的影響，從而對(duì)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(dòng)和階躍擾動(dòng)為例探討擾動(dòng)

18、對(duì)控制系統(tǒng)的影響。</p><p>　　前向通道上的擾動(dòng)對(duì)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(dòng)和階躍擾動(dòng)信號(hào)時(shí)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(dá)到穩(wěn)態(tài)后，前向通道上的擾動(dòng)信號(hào)將使得控制系統(tǒng)的輸出產(chǎn)生波動(dòng)，但通過控制器的作用，控制系統(tǒng)經(jīng)過一個(gè)過渡過程后將會(huì)恢復(fù)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(dòng)對(duì)控制效果的影響：</p><p>　　在反饋通道上加脈沖擾動(dòng)和階躍擾動(dòng)信號(hào)時(shí)，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(dòng)變化而變化，且由反饋通道上的擾動(dòng)引起的誤差

20、不能被消除。但是當(dāng)擾動(dòng)消失時(shí)，控制系統(tǒng)也恢復(fù)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(duì)于大慣性、大滯后的被控對(duì)象采用

21、進(jìn)行控制時(shí)，要取得較好的控制效果，需要合理里設(shè)置積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)，控制器無法克服被控對(duì)象的純滯后，故起始時(shí)刻偏差信號(hào)較大，積分作用太強(qiáng)時(shí)就會(huì)使得系統(tǒng)振蕩次數(shù)大、調(diào)整時(shí)間長(zhǎng)，甚至使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以，在整定參數(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增大積分時(shí)間常數(shù)，減小積分作用以得到較好的控制效果。適當(dāng)增強(qiáng)微分作用，能夠在一定程度上改善大慣性對(duì)象動(dòng)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(jì)，掌握了PID控制基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，并結(jié)合了MATLAB仿真平臺(tái)能夠構(gòu)建一個(gè)根據(jù)不同工況的仿真系統(tǒng)控制系統(tǒng)，我對(duì)分析和解決有關(guān)PID控制的實(shí)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)[M]。北京：北京理工大學(xué)出版社，2002.</p><p>　　薛定宇