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1、距离控制系统的PID控制器设计及参数整定n班班级：机控一班：机控一班n学学生：祁生：祁焕英英 李李晔明明 刘刘玉玉龙 谷谷龙 张春峰春峰n 项目目的：项目目的： 学习和掌握学习和掌握PID控制算法、参数整定方法等理论和公式。控制算法、参数整定方法等理论和公式。在在SIMULINK软件系统仿真的应用中，掌握软件系统仿真的应用中，掌握PID控制器参数控制器参数的设计方法。分析的设计方法。分析PID控制器中比例系数、积分时间与微分控制器中比例系数、积分时间与微分时间对系统性能的影响。时间对系统性能的影响。n项目要求：项目要求： 1) 查阅相关文献，综述查阅相关文献，综述PID控制的应用研究现状，特别
2、体现控制的应用研究现状，特别体现在液压系统中的应用现状；在液压系统中的应用现状； 2) 分析每种类型控制器（分析每种类型控制器（P, PI, PID）对系统动态响应特）对系统动态响应特性的影响；性的影响； 3) 通过调节通过调节P, I, D三种系数的大小观察并解析动态响应曲三种系数的大小观察并解析动态响应曲线的变化，利用试凑法调节系统的动态响应特性。线的变化，利用试凑法调节系统的动态响应特性。u PID控制的控制的应用研究用研究现状状 调节器及其改进型是在工业控制中最常见的控制器。调节器及其改进型是在工业控制中最常见的控制器。PID控控制中的一个关键的问题便是制中的一个关键的问题便是PID对
3、参数的整定，使对参数的整定，使PID控制系统控制系统达到所期望的控制性能。但是在实际应用中，许多被控过程机理达到所期望的控制性能。但是在实际应用中，许多被控过程机理复杂具有高度非线性，时变不确定性和纯滞点等特点，特别是在复杂具有高度非线性，时变不确定性和纯滞点等特点，特别是在噪声，负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随噪声，负载扰动等因素的影响下，过程参数甚至模型结构均会随时间的工作环境变化而变化。时间的工作环境变化而变化。 DES-BOROUGH和和MILLER在在2002年一次统计报告中指年一次统计报告中指出，目前美国有超过出，目前美国有超过11600个具有个具有PID控制器结
4、构的调节器广控制器结构的调节器广泛应用于工业控制领域，有超过泛应用于工业控制领域，有超过97%的反抗回路采用了的反抗回路采用了PID控控制算法，甚至在一些复杂的控制律中，其基本控制层采用的仍然制算法，甚至在一些复杂的控制律中，其基本控制层采用的仍然是是PID控制算法。然而，只有近控制算法。然而，只有近1/3的的PID 控制器在实际应用控制器在实际应用过程中取得了令人满意的控制效果，有过程中取得了令人满意的控制效果，有2/3的的PID控制系统的控控制系统的控制性能达不到用户所期望的要求，这给控制理论研究和永远带来制性能达不到用户所期望的要求，这给控制理论研究和永远带来了前所未有的机遇和挑战了前所
5、未有的机遇和挑战u设计满足要求：设计满足要求：（1）控制器为）控制器为P控制器时，改变比例系数大小，分控制器时，改变比例系数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。（2）控制器为）控制器为PI控制器时，改变积分时间常数大控制器时，改变积分时间常数大小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。小，分析其对系统性能的影响并绘制相应曲线。(例如当例如当kp=50时，改变积分时间常数时，改变积分时间常数)（3）设计）设计PID控制器，选定合适的控制器参数，控制器，选定合适的控制器参数，使闭环系统阶跃响应曲线的超调量使闭环系统阶跃响应曲线的超调量%20%，过渡过程时
6、间过渡过程时间Ts2s, 并绘制相应曲线并绘制相应曲线 u三设计内容三设计内容 已知摩托车距离控制系统中，输入为理想距离，已知摩托车距离控制系统中，输入为理想距离，输出为实际距离，通过传感器反馈距离信息，摩输出为实际距离，通过传感器反馈距离信息，摩托车内部发动机等地固有传递函数为：托车内部发动机等地固有传递函数为： 试设计控制器。试设计控制器。 u设计过程设计过程u1. 控制器控制器为P控制器控制器时，改，改变比例系数大小比例系数大小uP控制器的控制器的传递函数函数为：u改改变比例系数大小，得到系比例系数大小，得到系统的的阶跃响响应曲曲线u仿真结果表明：随着仿真结果表明：随着Kp值的增大，系统
7、响应超调量加大，动作灵敏，系统值的增大，系统响应超调量加大，动作灵敏，系统的响应速度加快。的响应速度加快。Kp偏大，则振荡次数加多，调节时间加长。随着偏大，则振荡次数加多，调节时间加长。随着Kp增大，增大，系统的稳态误差减小，调节应精度越高，但是系统容易产生超调，并且加大系统的稳态误差减小，调节应精度越高，但是系统容易产生超调，并且加大Kp只能减小稳态误差，却不能消除稳态误差。只能减小稳态误差，却不能消除稳态误差。u程序：程序： num=1; den=1 2 25; sys=tf(num,den); for Kp=1,10:20:50 y=feedback(Kp*sys,1); step(y)
8、; hold on gtext(num2str(Kp); endu2. 控制器控制器为PI控制器控制器时，改，改变积分分时间常数大小（常数大小（为定定值） PI控制器的控制器的传递函数函数为： u改变积分时间常数大小，得到系统的阶跃响应曲线改变积分时间常数大小，得到系统的阶跃响应曲线u仿真结果表明：仿真结果表明：Kp=50，随着，随着Ti值的加大，系统的超调量减小，系统响应速值的加大，系统的超调量减小，系统响应速度略微变慢。相反，当度略微变慢。相反，当Ti的值逐渐减小时，系统的超调量增大，系统的响应的值逐渐减小时，系统的超调量增大，系统的响应速度加快。速度加快。Ti越小，积分速度越快，积分作用
9、就越强，系统震荡次数较多。越小，积分速度越快，积分作用就越强，系统震荡次数较多。PI控制可以消除系统的稳态误差，提高系统的误差度。控制可以消除系统的稳态误差，提高系统的误差度。u程序程序 num=1; den=1 2 25; Kp=50; sys=tf(num,den); for Ti=1:2:7 PI=tf(Kp*Ti 1,Ti 0); y=feedback(PI*sys,1); step(y,8) hold on gtext(num2str(Ti); endu3. 控制器控制器为PID控制器控制器时，改，改变微分微分时间常数大小（，）常数大小（，）PID控制器的控制器的传递函数函数为 ，改
10、改变微分微分时间常数常数 大小，得到系大小，得到系统的的阶跃响响应曲曲线u仿真结果表明：仿真结果表明：Kp=50、Ti=0.15，随着，随着Td值的增大，闭环系统的超调量值的增大，闭环系统的超调量减小，响应速度加快，调节时间和上升时间减小。加入微分控制后，相当于减小，响应速度加快，调节时间和上升时间减小。加入微分控制后，相当于系统增加了零点并且加大了系统的阻尼比，提高了系统的稳定性和快速性。系统增加了零点并且加大了系统的阻尼比，提高了系统的稳定性和快速性。u程序程序 Num=1; den=1 2 25; sys=tf(num,den); Kp=50; Ti=0.15; for Td=0.1,0
11、.15,0.2 PID=tf(Kp*Ti*Td,Ti,1,Ti,0); y=feedback(PID*sys,1); step(y,10) hold on gtext(num2str(Td); end 4.选定合适的控制器参数，设计PID控制器根据上述分析，Kp=50，Ti=0.15；Td=0.2，可使系统性能指标达到设计要求。经计算，超调量，过渡过程时间满足设计要求。系统的阶跃曲线如下图u4.选定合适的控制器参数，设计选定合适的控制器参数，设计PID控制器控制器u根据上述分析，根据上述分析，Kp=50，Ti=0.15；Td=0.2，可使系统性能指标达到设，可使系统性能指标达到设计要求。计要求
12、。u经计算，超调量，过渡过程时间满足设计要求。系统的阶跃曲线如下图经计算，超调量，过渡过程时间满足设计要求。系统的阶跃曲线如下图u程序：程序：unum=1;uden=1 2 25;usys=tf(num,den);uKp=50;uTi=0.15;uTd=0.2uPID=tf(Kp*Ti*Td,Ti,1,Ti,0);uy=feedback(PID*sys,1);ustep(y,10) u四四设计小小结uPID参数的整定就是合理的参数的整定就是合理的选取取PID三个参数。从系三个参数。从系统的的稳定性、响定性、响应速度、速度、超超调量和量和稳态误差等方面考差等方面考虑问题，三参数作用如下：，三参数
13、作用如下：u比例调节作用：成比例地反映系统的偏差信号，系统一旦出现了偏差，比例比例调节作用：成比例地反映系统的偏差信号，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生与其成比例的调节作用，以减小偏差。随着调节立即产生与其成比例的调节作用，以减小偏差。随着Kp增大，系统的响增大，系统的响应速度加快，系统的稳态误差减小，调节应精度越高，但是系统容易产生超应速度加快，系统的稳态误差减小，调节应精度越高，但是系统容易产生超调，并且加大调，并且加大Kp只能减小稳态误差，却不能消除稳态误差。比例调节的显著只能减小稳态误差，却不能消除稳态误差。比例调节的显著特点是有差调节。特点是有差调节。u积分调节作用：消除系统的稳
14、态误差，提高系统的误差度。积分作用的强弱积分调节作用：消除系统的稳态误差，提高系统的误差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分速度越快，积分作用就越强，系统震越小，积分速度越快，积分作用就越强，系统震荡次数较多。当然荡次数较多。当然Ti也不能过小。积分调节的特点是误差调节。也不能过小。积分调节的特点是误差调节。u微分调节作用：微分作用参数微分调节作用：微分作用参数Td的作用是改善系统的动态性能，在的作用是改善系统的动态性能，在Td选择合选择合适情况下，可以减小超调，减小调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差适情况下，可以减小超调，减小调节时间，允许加大比例控
15、制，使稳态误差减小，提高控制精度。因此，可以改善系统的动态性能，得到比较满意的过减小，提高控制精度。因此，可以改善系统的动态性能，得到比较满意的过渡过程。微分作用特点是不能单独使用，通常与另外两种调节规律相结合组渡过程。微分作用特点是不能单独使用，通常与另外两种调节规律相结合组成成PD或或PID控制器。控制器。u表一表一 各参数对调节过程的影响各参数对调节过程的影响u性能指标参数性能指标参数Kp Ti Td 偏差偏差 稳态误差稳态误差超调量超调量振荡频率振荡频率u比例、积分、微分控制作用是相互关联的，参数的调整必须考虑不同时刻各比例、积分、微分控制作用是相互关联的，参数的调整必须考虑不同时刻各个参数的作用以及相互之间的互联作用。个参数的作用以及相互之间的互联作用。致谢（致谢（1）u致谢。致谢。u请各位老师批评指正。请各位老师批评指正。
