PID控制器參數(shù)整定設(shè)計(jì)

1、1前百目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，控制理論 的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個(gè)階段。智能控制的典型實(shí) 例是模糊全自動(dòng)洗衣機(jī)等。自動(dòng)控制系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個(gè)控控制 系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過(guò)輸出接口 、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過(guò)傳感器，變送器，通過(guò)輸入接口送 到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng) 要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID控制及其控制器或 智能PID控制器(儀表

2、)已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的 PID控制器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器(intelligent regulator),其中PID控制器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí) 現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程 控制器(PLC),還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破?PLC)是利用其閉環(huán)控制模 塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PID控制，而可編程控制器(PLC)可以直接與ControlNet相連。還有可以實(shí)現(xiàn)PID控 制功能的控制器，如Rockwell的Logix產(chǎn)品系列，可以直接

3、與ControlNet相連，利用網(wǎng)絡(luò) 實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程控制功能。控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)通常包括穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面。穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)是指系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差， 它表征系統(tǒng)的控制精度。動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)表片系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的品質(zhì)。為使系統(tǒng)能同時(shí)滿足動(dòng)態(tài) 和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)的要求，就需要在系統(tǒng)中引入一個(gè)專門用于改善性能的附加裝置，這個(gè)附加 裝置就是校正裝置。當(dāng)控制系的開(kāi)環(huán)增益增大到滿足其穩(wěn)定性態(tài)性能所要求的數(shù)值時(shí)，系統(tǒng) 有可能為不穩(wěn)定，或者即使能穩(wěn)定性定，其動(dòng)態(tài)性能一般也不會(huì)滿足設(shè)計(jì)要求，為此需要在 系統(tǒng)的前向通首中加一個(gè)超前校正裝置，以實(shí)現(xiàn)在開(kāi)環(huán)增益不變的前提下，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性 能也能滿足設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能滿足要求，而其

4、穩(wěn)定性態(tài)性能不好時(shí)，就要求所 加的校正裝置要使系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益有較大的增大，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不發(fā)生明顯的變化，因 此要加入滯后校正裝置。若要將兩種校正結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，必然會(huì)同時(shí)改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài) 性能，這就是滯后一一超前校正。而PID控制器能夠滿足這兩方面的要求，但根據(jù)系統(tǒng)性能 指標(biāo)的要求，正確地調(diào)整PID的三個(gè)參數(shù)是非常重要的。本次設(shè)計(jì)就主要圍繞調(diào)節(jié)PID的參 數(shù)進(jìn)行。課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書2總體方案設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PID控制的設(shè)定，當(dāng)系統(tǒng)的被控對(duì)象很復(fù)雜時(shí)，難以用解析法建立數(shù)學(xué)模型， 可用ZN法去調(diào)整PID控制器的參數(shù)，非常實(shí)用，有效和方便。ZN法有兩種實(shí)施的 辦法，共同的目標(biāo)是使被控系

5、統(tǒng)的階躍響應(yīng)具有25%的超調(diào)量。于是就有了下面兩種方案。方案設(shè)計(jì)方案一：這種方案是先假設(shè)Ti為無(wú)窮大，Td=0，即只有比例控制Kp。具體的做法是：將比例系 數(shù)Kp值由零逐漸增大到系統(tǒng)的輸出首次呈現(xiàn)持續(xù)的等幅振蕩，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Kp值為臨界增益， 用Kc表示，并記下振蕩的周期Tc，對(duì)于這種情況，齊格勒和尼可爾斯提出公式，以確定相 應(yīng)PID控制器的參數(shù)Kp、Ti、和Td的值。PID 調(diào)節(jié)器：PID 調(diào)節(jié)器：Kp=0.6Kc,Ti=0.5Tc,Td=0.125Tc表2.1 Z-N第二法的參數(shù)表控制器的類型KpTiTdP0. 5kc80PI0.45kc1/1.2Tc0PID0.6Kc0.5Tc0.125T

6、c方案一課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書在對(duì)象的輸入端加一單位階躍信號(hào)，測(cè)量其輸出響應(yīng)曲線。如果被測(cè)的對(duì)象中既無(wú)積分 環(huán)節(jié)，又無(wú)復(fù)數(shù)主導(dǎo)極點(diǎn)，則相應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線可視為是S形曲線。這種曲線的特征可用 滯后時(shí)間T和時(shí)間常數(shù)T來(lái)表征。通過(guò)S形曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)作切線，使之分別與時(shí)間坐標(biāo)軸和 c(t)=K的直線相交，由所得的兩個(gè)交點(diǎn)確定延滯時(shí)間T和時(shí)間常數(shù)T。具有S形階躍響應(yīng)曲 線的對(duì)象，其PID控制器的傳遞函數(shù)為：Kp(1+ + Tds)Tis這種PID控制器有一個(gè)極點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)，二個(gè)零點(diǎn)都在S=- 1處。T表2.2 Z-N第一法的參數(shù)表控制器的類型KpTiTdPT80PI0.9 -0.30PID1.2 T

7、.2t0.5t方案論證方法一臨界比例法簡(jiǎn)單并且是閉環(huán)，使用起來(lái)比第二種方案范圍要大點(diǎn)。第二種響應(yīng)曲 線法有一個(gè)缺點(diǎn)就是必須要S型的響應(yīng)曲線，并且第二種方案是開(kāi)環(huán)的，容易受到干擾，使 得PID控制不準(zhǔn)確。方案選擇通過(guò)分析題目和課程設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為選擇第一種方案更為簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確，因?yàn)榈诙N方 案的要求(S型曲線)題目可能不能達(dá)到。還需要花時(shí)間證明是否是S型曲線。所以比起方 案一要復(fù)雜的多，耗費(fèi)的時(shí)間也更多，所以我選用方案一來(lái)完成本次課程設(shè)計(jì)。課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書3單元模塊設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析由設(shè)計(jì)要求可以得知，系統(tǒng)是在受到階躍信號(hào)后產(chǎn)生相應(yīng)的，由Matlab的simulink進(jìn) 行了仿

8、真圖的搭建，如圖3.1所示：圖3.1校正前連線圖在matlab操作環(huán)境中鍵入以下程序，會(huì)得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)的曲線圖和伯德圖，圖3.2 為matlab繪制的其閉環(huán)傳遞函數(shù)的單位階躍響應(yīng)曲線，圖3.3為matlab繪制的其閉環(huán)傳遞 函數(shù)的伯德圖。g1=tf(9.9,120 1);g2=tf(0.107,10 1);tau1=80;np,dp=pade(tau1,2);gp=tf(np,dp);g=g1*gp;close=g/(1+g*g2)step(close)bode(close)根據(jù)圖上的信息可以得于如表3.1所示的原系統(tǒng)性能指標(biāo)如下所示：超調(diào)量。 = Mp = 0(儂/)-C3“ *100%

9、 = (6.08-4.82) /4.82 = 26.1%C 3)上升時(shí)間Tr峰值時(shí)間Tp調(diào)整時(shí)間Ts波形峰值波形穩(wěn)定值159 s222 s325 s6.08 v4.82 v表3.1原系統(tǒng)性能指標(biāo)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書- - - - IL - -I- 4 3 2 1 o 1 I一IDprl 七課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書- - - - IL - -I- 4 3 2 1 o 1 I一IDprl 七-d百System: closeTime (sec): 159Amplitude: 4.81System: closeTime (sec): 674Amplitude: 4.82100200300400500600Time (

10、sec)700圖3.2原系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的單位階躍響應(yīng)曲線System: closeFrequency (rad/sec): 0.0128Phase (deg): 279System: closeFrequency (rad/sec): 0.0996Magnitude (dB): -2.06System: closeFrequency (rad/sec): 0.0128Phase (deg): 279System: closeFrequency (rad/sec): 0.0996Magnitude (dB): -2.06System: closeFrequency (rad/sec): 0.0

11、167Magnitude (dB): 16.7圖3.3原系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖由階躍信號(hào)經(jīng)過(guò)了閉環(huán)控制系統(tǒng)，最后由Scope來(lái)觀察波形，點(diǎn)擊上方的運(yùn)行按鈕之后再課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書雙擊Scope就彈出了如圖3.4所示的波形。從圖上可以看出，由matlab的step函數(shù)繪制的系統(tǒng)單位階躍函數(shù)曲線和示波器上顯示的圖形是一樣的。圖3.4 Scope輸出波形系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求，靜態(tài)誤差也不能滿足要求。這是就需要 運(yùn)用校正電路來(lái)彌補(bǔ)這些差別的存在。PID控制器的工作原理PID校正裝置(又稱PID控制器或PID調(diào)節(jié)器)是一種有源校正裝置，它是最早發(fā)展起 來(lái)的控制策略之一，在

12、工業(yè)過(guò)程控制中有著最廣泛的應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)方式有電氣式、氣動(dòng)式和 液力式。與無(wú)源校正裝置相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)易于整定、應(yīng)用面廣等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的 控制對(duì)象可以有精確模型，并可以是黑箱或灰箱系統(tǒng)。圖3.4為它的控制結(jié)構(gòu)框圖，典型PID為滯后一超前校正裝置。圖3.4 PID校正系統(tǒng)由圖可見(jiàn)，PID控制器是通加對(duì)誤差信號(hào)e(t)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算，其結(jié)果的加 權(quán)，得到控制器的輸出u(t),該值就是控制對(duì)象的控制值。PID控制器的數(shù)學(xué)描述為：八 1 一八de(t )1u C )= K e (t) + JeG )dt + Tp T 0d dti式中u(t)為控制輸入，e(t)=r(t)-c(t)為誤

13、差信號(hào)，r(t)為輸入量，c(t)為輸出量。課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書在PID控制器中，錯(cuò)誤信號(hào)（受控系統(tǒng)期望的溫度與實(shí)際溫度之間的差值）在加到溫度控制 電源驅(qū)動(dòng)電路之前先分別以三種方式（比例、積分和微分）被放大。比例增益向錯(cuò)誤信號(hào)提 供瞬時(shí)響應(yīng)。積分增益求出錯(cuò)誤信號(hào)的積分，并將錯(cuò)誤減低到接近零的水平。積分增益還有 助于過(guò)濾掉實(shí)測(cè)溫度信號(hào)中的噪音。微分增益使驅(qū)動(dòng)依賴于實(shí)測(cè)溫度的變化率，正確運(yùn)用微 分增益能縮短響應(yīng)定位點(diǎn)改變或其它干擾所需的穩(wěn)定時(shí)間。然而，在許多情況下，比例積分 （PI:Proportional-Integral，沒(méi)有微分增益）控制策略也可以產(chǎn)生滿足要求的結(jié)果，而且 通常要比完

14、全的PID控制器更容易調(diào)整到穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，并獲得符合要求的穩(wěn)定時(shí)間。 PID解決了自動(dòng)控制理論所要解決的最基本問(wèn)題，既系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。調(diào)節(jié) PID的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力，同時(shí)，在PID 調(diào)節(jié)器中引入積分項(xiàng)，系統(tǒng)增加了一個(gè)零積點(diǎn)，使之成為一階或一階以上的系統(tǒng)，這樣系統(tǒng) 階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。綜合前面所述，PID控制器是一種有源的遲后一超前校正裝置，且在實(shí)際控制系統(tǒng)中有著 最廣泛的應(yīng)用。當(dāng)系統(tǒng)模型已知時(shí)，可采用遲后一超前校正的設(shè)計(jì)方法。若系統(tǒng)模塊未知或 不準(zhǔn)確，則可后述方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。P, I和D控制器的連接P控制器圖3.5 P圖3.5 P

15、控制器的連接圖在K取35時(shí)，運(yùn)行此P控制器得的仿真波形圖如下:B課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書圖3.6 P控制器得的仿真波形圖比例調(diào)節(jié)器對(duì)所有頻率信號(hào)控制作用強(qiáng)度相同，它的特點(diǎn)是迅速，有殘差。增大比例P將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，其作用是放大誤差的幅值，它能快速影響系統(tǒng)的控制輸 出值，但僅靠比例系數(shù)的作用，系統(tǒng)不能很好地穩(wěn)定在一個(gè)理想的數(shù)值，其結(jié)果是雖較能有 效地克服擾動(dòng)的景響，但有穩(wěn)態(tài)誤差出現(xiàn)，過(guò)大的比例系數(shù)還會(huì)使系數(shù)出現(xiàn)較大的超調(diào)并產(chǎn) 生振蕩，使穩(wěn)定性變差。I控制器圖3.7 I控制器的連接圖1 cc在否=0.0062時(shí),運(yùn)行此P控制器得的仿真波形圖如下:課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書圖3.8 I課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書圖3.8 I控制器得的

16、仿真波形圖I控制器的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)時(shí)間較大，無(wú)殘差。對(duì)于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差勁，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)為有差 系統(tǒng)，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項(xiàng)。積分項(xiàng)對(duì)誤差的作用取決于時(shí)間的 積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大，這樣，即便是誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增 加面加大，它推動(dòng)控制器的輸出向穩(wěn)態(tài)誤差減小的方向變化，直到穩(wěn)態(tài)誤差為零。D控制器圖3.9 D圖3.9 D控制器的連接圖在Td = 37時(shí)，運(yùn)行此D控制器得的仿真波形圖如下：課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書圖3.10 D控制器得的仿真波形圖課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書圖3.10 D控制器得的仿真波形圖D控制器的特點(diǎn)是迅速并且超前。微分具有超前

17、作用，在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分成正比關(guān)系。 微分項(xiàng)能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，從面做到提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值， 從面避免了被害人控量的嚴(yán)重超調(diào)，改善了系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。校正電路的連接如上提到的，需要一個(gè)校正電路來(lái)進(jìn)行校正才能夠滿足要求，這里就用到了 PID控制器 來(lái)進(jìn)行校正，校正的裝置電路如圖3.5所示圖3.11 PID控制器系統(tǒng)采用了比例（增益）因子、微分因子、積分因子模塊來(lái)作為校正環(huán)節(jié)，其參數(shù)還需要10課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書進(jìn)行設(shè)置才能夠滿足。設(shè)定校正系統(tǒng)的參數(shù)確定 Kp根據(jù)方案一的要求，先確定Kp。去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令T

18、i=0、Td=0， 使PID為純比例調(diào)節(jié)。由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩時(shí)確定下Kp的值。運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真，選擇合適的參數(shù)。當(dāng)K=2時(shí)，在matlab操作環(huán)境中鍵入以下程序即可得到K = 2時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線 如圖3.6所示：g1=tf(9.9,120 1);g2=tf(0.107,10 1);tau1=80;np,dp=pade(tau1,2);gp=tf(np,dp);g=g1*gp*2;close=g/(1+g*g2)；Step(close)由圖可知，Kp = 2時(shí)，系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下表:上升時(shí)間Tr峰值時(shí)間Tp調(diào)整時(shí)間Ts波形峰值波形穩(wěn)定值127 s191s150

19、0 s11.3 v6.33 v表3.2 Kp =2時(shí)，系統(tǒng)的性能指標(biāo)超調(diào)量。 = Mp = C(MAX)-C3)*100% = (11.3-6.33) /6.33 = 78.51%C 3)iiii課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書圖3.12 KP =2時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線由性能指標(biāo)可以知道，當(dāng)Kp = 2時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量過(guò)大，系統(tǒng)的被控制量會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的 動(dòng)態(tài)降落，并且系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所以不滿足條件。于是繼續(xù)增大當(dāng)Kp，當(dāng)Kp= 2.72時(shí)，系統(tǒng)的仿真波形為:圖3.13 Kp = 2.72時(shí)系統(tǒng)仿真波形觀察系統(tǒng)此時(shí)已經(jīng)進(jìn)入持續(xù)振蕩，則Kp= 2.72,Tc=290,根據(jù)Z-N法2有表3.3如下表3

20、.3Z-N經(jīng)驗(yàn)公式表 Tc = 290控制器的類型KpTiTdP1.3680PI1.224241.70PID1.63214536.25當(dāng)繼續(xù)增大Kp=3時(shí)，得到如圖3.14的系統(tǒng)仿真波形:12課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書圖3.14 Kp=3時(shí)系統(tǒng)仿真波形課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書圖3.14 Kp=3時(shí)系統(tǒng)仿真波形由圖可知，當(dāng)Kp超過(guò)2.7后，系統(tǒng)不穩(wěn)定。于是我取Kp = 2.72設(shè)定P控制器的參數(shù)我先取K=1.36,在matlab操作環(huán)境中鍵入以下程序即可得到K=1.36時(shí)，系統(tǒng)的階躍 響應(yīng)曲線如圖3.15所示：g1=tf(9.9,120 1);g2=tf(0.107,10 1);tau1=80;np,dp=pade(

21、tau1,2);gp=tf(np,dp);g=g1*gp*1.36;close=g/(1+g*g2)由圖可知，K=1.36時(shí)，系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下表:上升時(shí)間Tr峰值時(shí)間Tp調(diào)整時(shí)間Ts波形峰值波形穩(wěn)定值142 s210 s600 s7.96 v5.57 v表3.4K=1.36時(shí)系統(tǒng)性能指標(biāo)超調(diào)量。 = Mp = 0(3/)-C3 *100% = (7.96-5.57) /5.57 = 42.9% C 3)13課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書圖3.15 K=1.36時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線圖由系統(tǒng)的性能指標(biāo)可知，當(dāng)K=1.36時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量仍然偏大，所以需要引入PI控制 器進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)定pi控制器的參數(shù)

22、參照表 3.3,我取 K=1.224 , =0.004Ti1在matlab操作環(huán)境中鍵入以下程序即可得到K=1.224 , =0.004時(shí)，系統(tǒng)的階躍響Ti應(yīng)曲線如圖3.16所示： g1=tf(9.9,120 1);g2=tf(0.107,10 1);g3=tf(1,1 0);tau1=80;np,dp=pade(tau1,2);gp=tf(np,dp);g=g1*gp*1.224*(1+0.004*g3);close=g/(1+g*g2) Step(close)由圖可知，系統(tǒng)穩(wěn)定是個(gè)很慢的過(guò)程，并且穩(wěn)定時(shí)的值很大，超調(diào)量也不合要求。一個(gè) 自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控

23、制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱 有差系統(tǒng)(Systemwith Steady-state Error)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積 分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤 差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減14課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。500100015002000250030003500Time (sec)24O8 6 4 iDpr石五百500100015002000250030003500Time (sec)2

24、4O8 6 4 iDpr石五百2F1圖3.16K=1.224 =0.004時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖Ti在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，需要 增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提 前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有滯 后的被控對(duì)象不僅是PI控制，更需要引入微分控制，使系統(tǒng)性能更完善，這就是PID控制了。設(shè)定PID控制器的參數(shù)1參照表3.3我取PID的二個(gè)參數(shù)值為K=1.632, =0.0069, Td=36.25,此時(shí)系統(tǒng)的輸Ti出波形為圖3.11所示此時(shí)可以算出，系

25、統(tǒng)的性能指標(biāo)如下表3.5：上升時(shí)間Tr峰值時(shí)間Tp調(diào)整時(shí)間Ts波形峰值波形穩(wěn)定值156 s210 s700 s12.5 v9.3 v表 3.4 K=1.632 =0.0069 Td=36.25 時(shí)系統(tǒng)性能指標(biāo)Ti此時(shí)的超調(diào)量為15課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書M C (MAX) - C 3).“a % = Mp =*100%= (12.5-9.3) /9.3 = 34.41%C 3)F1圖3.17K=1.632 一 =0.0069 Td=36.25時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形Ti此時(shí)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)已經(jīng)初步達(dá)到要求，只是還需要進(jìn)行一些調(diào)整。1經(jīng)過(guò)調(diào)整后，發(fā)現(xiàn)K=1.5, =0,005, Td=35時(shí)，系

26、統(tǒng)的階躍響應(yīng)波形為下圖3.18所示。Ti圖3.18 K=1.5!=0.005 Td=35系統(tǒng)階躍響應(yīng)波形Ti此時(shí)的性能指標(biāo)如表3.5所示：上升時(shí)間Tr峰值時(shí)間Tp調(diào)整時(shí)間Ts波形峰值波形穩(wěn)定值180s210 s450 s10.5 v9.3 v表3.5 K=1.5!=0.005 Td=35時(shí)系統(tǒng)性能指標(biāo)Ti超調(diào)量a % = Mp = C(MAX)-C3)*100% = (10.5-9.3) /9.3 = 12.9%C 3)參數(shù)滿足要求，PID控制器此時(shí)能產(chǎn)生較大的相位超前角，能使系統(tǒng)的相位裕量有較大16課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書的增加，使系統(tǒng)超調(diào)量也減小，瞬態(tài)響應(yīng)速度變快，調(diào)整時(shí)間比原系統(tǒng)有了明顯的縮短，構(gòu)

27、 成的PID校正系統(tǒng)顯著的改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。4軟件介紹MATLAB是這次設(shè)計(jì)中所用的軟件，下來(lái)我們來(lái)了解下它的概況MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室(Matrix Laboratory)之意。除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它 還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算，文字處理，可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué),工程中常用的形式十分相似,故 用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C,FORTRAN等語(yǔ)言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多。當(dāng)前流行的MATLAB 7.0/Simulink 3.0包括擁有數(shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工 具包(Toolbox).工具包又可以分為功能性工具包

28、和學(xué)科工具包.功能工具包用來(lái)擴(kuò)充MATLAB 的符號(hào)計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能.學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工 具包，控制工具包，信號(hào)處理工具包,通信工具包等都屬于此類。開(kāi)放性使MATLAB廣受用戶歡迎.除內(nèi)部函數(shù),所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可 讀可修改的文件,通過(guò)對(duì)源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包。17課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書5系統(tǒng)調(diào)試整個(gè)校正系統(tǒng)在完成之前，用matlab工具進(jìn)行了原系統(tǒng)和校正系統(tǒng)的仿真，一開(kāi)始選擇 了錯(cuò)的方法致使校正出現(xiàn)預(yù)料外的錯(cuò)誤，最后經(jīng)過(guò)反復(fù)思考調(diào)試重新測(cè)試參數(shù)才得到了合適 的參數(shù)。調(diào)試結(jié)束后，系統(tǒng)的性能得到了改善。

29、18課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書6系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)系統(tǒng)功能本次設(shè)計(jì)主要是研究特定的閉環(huán)系統(tǒng)的性能參數(shù)，利用了 PID校正的方法使得原系統(tǒng)在 階躍信號(hào)作用下性能得到極大的改善，使之能同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)的要求，校正成 為期望的系統(tǒng)。指標(biāo)參數(shù)（1）調(diào)整時(shí)間t=450 s（2）較小的超調(diào)量約為12.9%（3）靜態(tài)誤差為零系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)分析校正后的電路圖為圖6.1校正后的電路圖為圖6.1所示圖6.1校正后帶PID控制器的電路圖校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)較原系統(tǒng)有了顯著改善。19課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書7總結(jié)體會(huì)通過(guò)這次控制系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定設(shè)計(jì)，我了解了 PID調(diào)節(jié)的好處。掌握了設(shè)計(jì)PID

30、的要領(lǐng)。為今后的學(xué)習(xí)打下了好的基礎(chǔ)。同時(shí)我了解了 Z-N的兩種方法，并且能進(jìn)行靈活運(yùn) 用。在調(diào)試過(guò)程中，我了解了怎樣去分析，怎樣去解決。PID調(diào)節(jié)為工程上很多問(wèn)題提供了 很好的解決問(wèn)題的方法。設(shè)計(jì)中我通過(guò)翻閱相關(guān)書籍和查閱相關(guān)資料，加上老師的幫助，完成了這次的設(shè)計(jì)內(nèi)容。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中我自己充分的認(rèn)識(shí)到了自己對(duì)于電路的學(xué)習(xí)還任重而道遠(yuǎn)，還有相當(dāng)多的東西 需要去學(xué)習(xí)與摸索，把以前沒(méi)有弄懂的問(wèn)題弄懂了，把掌握了的知識(shí)加深了印象，對(duì)一些常 用器件的使用也更加的了解了，另外對(duì)于控制系統(tǒng)必不可少的軟件matlab也有了更深的了 解，特別是對(duì)于Sinmulink的使用更加的熟練了。這些都提高了我對(duì)于自動(dòng)控制

31、的愛(ài)好與興 趣。20課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書8參考文獻(xiàn)1鄒伯敏.自動(dòng)控制理論M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.20052李宜達(dá).控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真M.北京：清華大學(xué)出版社.20043張彬.自動(dòng)控制原理M.北京：北京郵電大學(xué)出版社.20024陳治明.電力電子器件M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.5張明勛.電力電子設(shè)備和應(yīng)用手冊(cè)M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.6陶永華，尹怡欣，葛蘆生.新型PID控制及其應(yīng)用M.機(jī)械工業(yè)出版社，1998.21課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書目錄 TOC o 1-5 h z 1前言1 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 2總體方案設(shè)計(jì)2

32、HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 方案設(shè)計(jì)2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 方案論證3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 方案選擇3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 3單元模塊設(shè)計(jì)4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行分析4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document PID控制器的工作原理

33、6 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document P，I和D控制器的連接7 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document P控制器7 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document I控制器8 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document D控制器9 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 校正電路的連接10 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 設(shè)定校正系統(tǒng)的參數(shù)11確定 Kp 11設(shè)定P控制器的參數(shù)13設(shè)定PI控制器的參數(shù)14設(shè)定PID控制器的參數(shù)15 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 4軟件介紹17 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 5系統(tǒng)調(diào)試18 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 6系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)19 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 系統(tǒng)功能19 HYPER