PID控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能影響的分析

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程三級(jí)項(xiàng)目某二階系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計(jì)及參_數(shù)整定報(bào)告人：劉寶指導(dǎo)教師：劉思遠(yuǎn)燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電控制系2012 年 9 月 23 H目錄計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程三級(jí)項(xiàng)目1.1 PID控制的應(yīng)用現(xiàn)狀.1.2 PID控制器各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)系能的影響1.2.比例系 KP對(duì)系統(tǒng)性能的影1.2.21 數(shù) 響1.2.31.3對(duì)給定的系統(tǒng)進(jìn)行PID控制調(diào)節(jié)1.4收獲與感想積分系數(shù)K1對(duì)系統(tǒng)性能的影微分系數(shù)響681. 1 PID控制的應(yīng)用現(xiàn)狀在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱pID控制，又稱pID調(diào)節(jié)。pID控制器問世至今已有近70年歷 要技術(shù)之一。史,它以其

2、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主從理論角度而言，pID控制是20世紀(jì)40年代開始的調(diào)節(jié)原理的一種典 型代表。pID控制再世紀(jì)控制工程中應(yīng)用最廣，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)過程 控 制、航空航天控制等領(lǐng)域中，pID孔的應(yīng)用占80%以上。盡管pID控制已經(jīng) 寫入經(jīng)典教科書，然而由于pID控制的簡單與良好的應(yīng)用效果，人們?nèi)栽诓粩?研究pID控制器各種設(shè)計(jì)方法(包括各種自適應(yīng)調(diào)節(jié)、最優(yōu)化方法)和未來潛 力。由于液壓控制系統(tǒng)大功率、高控制精度、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，在要求精度 高的重型機(jī)械機(jī)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)實(shí)工業(yè)中比例伺服閥與pID控 制器 的結(jié)合，使得液壓控制對(duì)于位移、速度、壓力等

3、的控制獲得更加良好的效 果。1.2 PID控制器各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)系能的影響1. 2. 1比例系數(shù)KP對(duì)系統(tǒng)性能的影響(1) 對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響：Kp加大，將使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，Kp偏大時(shí)，系統(tǒng)振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長；Kp太小又會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)速度緩慢。的選擇以輸出響應(yīng)產(chǎn)生4:1衰減過程為宜。(2) 對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響：在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，加大Kp可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。因此的整定主要依據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。Step ResponseToir（3 c匚）調(diào)節(jié)P的大小對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能影響如圖。由圖可見，當(dāng)K P加大時(shí)，可 是系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，速度加快，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將減

4、小， 卻不能完全消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Kp偏大時(shí)，系統(tǒng)的震蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間 增長。Kp太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。122積分系數(shù)K1對(duì)系統(tǒng)性能的影響積分控制通常和比例控制或比例微分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成PI控制或PID 控制。（1）對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響：對(duì)于合適的kl值，可以減小系統(tǒng)的超調(diào) 量，提高了穩(wěn)定性，弓I入積分環(huán)節(jié)的代價(jià)是降低系統(tǒng)的快速性。（2）對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響：積分控制有助于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提 高系統(tǒng)的控制精度，但若kl太大，系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生震蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。181.61.41.210.80.60.4020012345（Time （sec）由此可見，積分作用能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，提

5、高控制精度，系統(tǒng)積分作用的引入通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，K1太大時(shí)系統(tǒng)將不穩(wěn)定，的K1偏大時(shí)系統(tǒng) 震蕩次數(shù)較多。123微分系數(shù)K2對(duì)系統(tǒng)性能的影響（1）對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響：微分系數(shù)K2的增加即微分作用的增加可 以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如減少超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間等。適當(dāng)加大比例控 制，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但K2值偏大或偏小都會(huì)適得其反。另 外微分作用有可能放大系統(tǒng)的噪聲，降低系統(tǒng)的抗干擾能力。（2）對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響：微分環(huán)節(jié)的加入，可以在誤差出現(xiàn)或變 化瞬間，按偏差變化的趨向進(jìn)行控制。它引進(jìn)一個(gè)早期的修正作用，有助于增 加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。step Response1.8Time fs

6、edstep Response二0. 5Zp - 8LIS fl CGOf different k2 K2=kp*Di/T00.5 1522.533弓4Time (secj微分控制經(jīng)常與比例控制或積分控制聯(lián)合使用。引入微分控制可以改善系 統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，當(dāng)K2偏小時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長；當(dāng)K2合 適時(shí)可 以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。1. 3對(duì)給定的系統(tǒng)進(jìn)行PID控制調(diào)節(jié)通過改變不同的參數(shù)，便可得到在不同參數(shù)情況下的系統(tǒng)響應(yīng)，而且以 個(gè)清晰的圖像表示出來。Time (eec)首先取比例系數(shù)Kp=30系統(tǒng)響應(yīng)如圖。由圖中可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)較 快，滿足系統(tǒng)的要求，但是穩(wěn)態(tài)誤差較大，需要

7、引入積分環(huán)節(jié)，進(jìn)行節(jié)。PI調(diào)Kp*30, KPC 4Syslern G(sec): KA/AiTil： Wudc： 0.37C取比例系數(shù)Kp=30, Kl=04系統(tǒng)響應(yīng)如圖。由圖可以看出，系統(tǒng)的穩(wěn)2態(tài)誤差已經(jīng)達(dá)到要求，但是系統(tǒng)的超調(diào)量較大，震蕩次數(shù)較多，調(diào)整時(shí)間較 長，需要引入微分環(huán)節(jié)，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。Time (: sec取Kp=35, Kl=0.4 , K2=15系統(tǒng)響應(yīng)如圖。由圖可以看出，系統(tǒng)的超 調(diào)量 小于2%,調(diào)整時(shí)間小于0. 2s,穩(wěn)態(tài)誤差小于5%,很好的滿足了系統(tǒng)的要求。PID控制器的參數(shù)必須根據(jù)工程問題的具體要求來考慮。在工業(yè)過程控制中，通常要保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)給定量的變化能

8、迅速跟蹤，超調(diào)量小。 在不同干擾下輸出應(yīng)能保持在給定值附近，控制量盡可能地小， 在系統(tǒng)和環(huán) 境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)控制應(yīng)保持穩(wěn)定。一般來說，要同時(shí)滿足這些要 求是很難 做到的，必須根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，滿足主要的性能指標(biāo)，同時(shí)兼顧 其它方面的要求。在選擇采樣周期T時(shí)，通常都選擇T遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。因此，PID 參數(shù)的整定可以按模擬控制器的方法來進(jìn)行。1. 4收獲與感想通過這次的課程三級(jí)項(xiàng)目，我更加深入的了解了 PID的控制機(jī)理，單 純的 學(xué)習(xí)課本上的理論知識(shí)，我們只能大概的了解它的機(jī)理，但是其深層含 義卻無 法體會(huì)，這次通過matlab程序仿真，通過一次一次的參數(shù)整定，了解到每一 個(gè)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)行性能的影響，這樣從實(shí)際中了解到這些知識(shí)，才能更加領(lǐng)會(huì)其中的真正機(jī)理，為以