計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)

1、 電氣工程學(xué)院 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 課程名稱： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 設(shè)計(jì)題目： PID 控制算法的 MATLAB 仿真研究 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 4 學(xué)號(hào)： 20120220445 學(xué)生姓名： 宗佳琦 時(shí) 間： 2015.12.31 以下由指導(dǎo)教師填寫(xiě) 分項(xiàng)成績(jī)：出勤 成品 答辯及考核 總 成 績(jī)：總分 成績(jī) 指導(dǎo)教師（簽名） ： 一、一、 課程設(shè)計(jì)的目的和要求課程設(shè)計(jì)的目的和要求 1.1. 目的目的 （1） 通過(guò)課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步鞏固PID算法基本理論及數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)的認(rèn)識(shí) 和掌握，歸納和總結(jié) PID 控制算法在實(shí)際應(yīng)用中的一些特性。 （2） 熟悉 MATLAB 語(yǔ)言機(jī)器在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提高

2、學(xué)生設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)程序的能力。 2.2.要求要求 通過(guò)額資料，了解 PID 算法的研究現(xiàn)狀和研究領(lǐng)域，充分理解設(shè)計(jì)內(nèi)容，對(duì) PID 算法的基本原理與應(yīng)用進(jìn)行歸納和總結(jié)，并獨(dú)立完成設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和總結(jié)報(bào)告。 二、二、 課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容課程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 任務(wù)的提出任務(wù)的提出 采用帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)作為系統(tǒng)的被控對(duì)象模型，傳遞函數(shù)為 G（s）=Ke-s1+Tfs，其中各參數(shù)分別為 K=30，Tf = 630，=60。 對(duì) PID 控制算法的仿真研究可從以下四個(gè)方面展開(kāi)。 （1）PID 控制器調(diào)節(jié)參數(shù) Kp、KI、KD 的整定。PID 參數(shù)的整定對(duì)控制系統(tǒng)能否得到較好的控制效果至關(guān)重要，PID 參數(shù)的

3、整定方法有很多種，可采用理論整定法或者實(shí)驗(yàn)確定法，也可采用模糊自適應(yīng)參數(shù)整定、遺傳算法參數(shù)整定等新型的 PID 參數(shù)整定方法。選擇某種方法對(duì)參數(shù)整定后，在 MATLAB 上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字仿真，繪制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，從動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)系統(tǒng)控制效果的優(yōu)劣。 （2）改變對(duì)象模型參數(shù)，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)討論 PID 控制參數(shù)在被控對(duì)象迷行失配情況下的控制效果。由于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的控制中，用模型表示被控對(duì)象時(shí)往往存在一定誤差，且參數(shù)也不可能是固定不變的。在已確定控制器最優(yōu) PID調(diào)節(jié)參數(shù)下，仿真驗(yàn)證對(duì)象模型的三個(gè)參數(shù)（K、Tf 、）中某個(gè)參數(shù)變化（不超過(guò)原值的 5%）時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)模型失配時(shí)控制

4、效果改變的現(xiàn)象并分析原因。 （3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)非線性對(duì) PID 控制器控制效果的分析研究。在控制器輸出后加入非線性環(huán)節(jié)（如飽和非線性、死區(qū)非線性等） ，從仿真結(jié)果分析、討論執(zhí)行機(jī)構(gòu)的非線性對(duì)控制效果的影響。 （4）待系統(tǒng)穩(wěn)定后，給系統(tǒng)施加小的擾動(dòng)信號(hào)，觀察此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析對(duì)不同的擾動(dòng)信號(hào)類型和不同信號(hào)作用位置，系統(tǒng)是否依然穩(wěn)定，并與無(wú)擾動(dòng)情況下的響應(yīng)曲線進(jìn)行比較。 三、內(nèi)容及步驟三、內(nèi)容及步驟 1 1PIDPID 參數(shù)整定參數(shù)整定 首先選擇一種 PID 控制器調(diào)節(jié)參數(shù)的整定方法，得到最優(yōu)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)參數(shù)Kp、KI、KD。 （1）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

5、選擇采樣周期。 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)，60d1sT iT 0dT K 使得系統(tǒng)發(fā)生等幅震蕩如圖 2，記下此時(shí)的比例系數(shù)和振蕩周期得 . 圖 1 （2）選擇控制度為，按下面公式計(jì)算各參數(shù)： 在時(shí)，0.567,233kkKT，Ts=1 故可得： Kp=0.357 KI=0.003 KD=11.65 2.2.仿真實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn) 首先打開(kāi) MATLAB，啟動(dòng) simulink 工具箱，創(chuàng)建一個(gè)如圖 2 所示仿真控制系統(tǒng) 。 觀 察 系 統(tǒng) 階 躍 響 應(yīng) 曲 線 ， 記 錄 動(dòng) 態(tài) 特 性 指 標(biāo) 值 。kKkT0.567,233kkKT1.05Q 0.630.490.14

6、0.014pkikdkskKKTTTTTT1sT 圖 2 由Kp 、 KI 、 KD參 數(shù) 得 到 階 躍 響 應(yīng) 曲 線 如 下 圖 所 示 圖 3 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(guò)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(guò)程： （1） 通過(guò)增大積分時(shí)間常數(shù)來(lái)保證系統(tǒng)穩(wěn)定。 （2） 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)。 改變控制器參數(shù)后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖 4，系統(tǒng)暫態(tài)性能明顯改善. 1Out1Zero-OrderHoldTransportDelay30630s+1Transfer FcnStep-K-Kp-K-Ki-K-

7、Kdz(z-1)(z-1)zAdd 圖 4 最終，選擇采樣周期為，PID 控制器的控制參數(shù)為： 此時(shí)， 系統(tǒng)的超調(diào)量為 Mp=27.66%， 上升時(shí)間為 tr=134s， 調(diào)整時(shí)間為 ts=443s，穩(wěn)態(tài)誤差為。 3.3.模型失配對(duì)模型失配對(duì)控制器控制效果的影響控制器控制效果的影響 分別修改參數(shù) K、Tf 、 值（不超過(guò)原值 5%） ，觀察記錄系統(tǒng)出現(xiàn)模型失配時(shí)控制效果的改變，并分析原因。 （1）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)曲線如圖 5 所示，此時(shí)系統(tǒng)的個(gè)暫態(tài)性能指標(biāo)為： Mp=29.15%，tr=130s，ts=422s， 1sT 0.25,0.001,3pidKKK0ss

8、e PID5% 圖 5 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(kāi)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。 （2）當(dāng)被控對(duì)象的慣性時(shí)間常數(shù)增大時(shí)，系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如圖6 所示，此時(shí)系統(tǒng)的個(gè)暫態(tài)性能指標(biāo)為： Mp=25.39%，tr=146s，ts=505s 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

9、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。 PID5%PID 圖 6 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)曲線如圖 7所示，此時(shí)系統(tǒng)的個(gè)暫態(tài)性能指標(biāo)為：Mp=31.51%，tr=135s，ts=415s 圖 7 4.4.仿真驗(yàn)證執(zhí)行機(jī)構(gòu)非線性的作用仿真驗(yàn)證執(zhí)行機(jī)構(gòu)非線性的作用 5% 含非線性框圖： 在保持其它參數(shù)不變的情況下得到其階躍響應(yīng)曲線如圖 8 所示。 圖 8 從響應(yīng)曲線可知，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

10、，控制效果變壞。 5.PID5.PID 控制對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)信號(hào)的控制效果驗(yàn)證分析控制對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)信號(hào)的控制效果驗(yàn)證分析 在前向通道上控制器輸出之后加階躍擾動(dòng)信號(hào)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖 9 所Zero-OrderHoldTransportDelay30630s+1Transfer FcnStepScopeSaturation30.0010.25z(z-1)(z-1)zAdd 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(guò)控制器的作用，控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡過(guò)程后將會(huì)恢復(fù)原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)。 四、總結(jié)四、總結(jié) 通過(guò)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

11、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(wú)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。 通過(guò)計(jì)算機(jī)控制課程的學(xué)習(xí)，以及這次 PID 控制算法的 MATLAB 仿真研究課程設(shè)計(jì)，使我學(xué)習(xí)到許多知識(shí)。 首先熟悉了 MATLAB 中 simulink 的使用。之前我并沒(méi)使用過(guò) simulink，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到了很大的阻力。但是，我積極向同學(xué)請(qǐng)教，并且查閱了一些資料，現(xiàn)在已經(jīng)能完成基本操作。我已可以獨(dú)立自主設(shè)計(jì)仿真。這讓我感到很有成就感！ 其次，復(fù)習(xí)了自動(dòng)控制理論中關(guān)于參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響。以前只是掌握理論知識(shí)，通過(guò)這個(gè)課程設(shè)計(jì)，實(shí)習(xí)了理論聯(lián)系實(shí)際操作。 附錄：附錄： PIDPIDPID 相關(guān)理論知識(shí)相關(guān)理論知識(shí) （1）PID 算法原理； （2）P