PID控制算法的MATLAB仿真研究

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1、计算机控制技术实验报告题目PID控制算法的MATLAB仿真研究班级姓名学号一、目的和要求1.目的(1)通过本课程设计进一步巩固PID算法基本理论及数字控制器实现的认识和掌握，归纳和总结PID控制算法在实际运用中的一些特性。(2)熟悉MATLAB语言及其在控制系统设计中的应用，提高学生设计控制系统程序的能力。2.要求通过查阅资料，了解PID算法的研究现状和研究领域，充分理解设计内容，对PID算法的基本原理与运用进行归纳和总结，并独立完成设计实验和总结报告。二、基本内容及步骤1.任务的提出采用纯滞后的一

2、阶惯性环节作为系统的被控对象模型，传递函数为，其中各参数分别为:，，。对PID控制算法的仿真研究可从以下四个方面展开。(1)PID控制器调节参数Kp，KI，KD的整定。PID参数的整定对控制系统能否得到较好的控制效果是至关重要的，PID参数的整定方法有很多种，可采用理论整定法（如ZN法）或者实验确定法（如扩充临界比例度法、试凑法等），也可采用模糊自适应参数整定、遗传算法参数整定等新型的PID参数整定方法。选择某种方法对参数整定后，在MATLAB上对系统进行数字仿真，绘制系统的阶跃响应曲线，从动态特性

3、的性能指标评价系统控制效果的优劣。(2)改变对象模型参数，通过仿真实验讨论PID控制参数在被控对象模型失配情况下的控制效果。由于在实际生产过程的控制中，用模型表示被控对象时往往存在一定误差，且参数也不可能是固定不变的。在已确定控制器最优PID调节参数下，仿真验证对象模型的三个参数（K，Tf，τd）中某一个参数变化（不超过原值的±5%）时，系统出现模型失配时控制效果改变的现象并分析原因。(3)执行机构非线性对PID控制器控制效果的分析研究。在控制器输出后加入非线性环节（如饱和非线性、死去非线性等），从

4、仿真结果分析，讨论执行机构的非线性对控制效果的影响。(4)待系统稳定后，给系统世家小的扰动信号，观察此时系统的相应曲线，分析对不同的扰动信号类型（如脉冲信号、阶跃）和不同的信号作用位置（如在系统的测量输出端或控制器输出的位置），系统是否仍然稳定，并与无扰动情况下的响应曲线进行比较。1.相关理论知识本实验相关的理论知识有：PID算法原理；PID控制器调节参数的整定方法；MATLAB中动态仿真工具箱Simulink的使用。2.内容及步骤(1)首先选择一种PID控制器调节参数的整定方法，得到最优调节参数K

5、p，KI，KD。(2)打开MATLAB，启动Simulink工具箱，创建一个图示仿真控制系统。观察系统阶跃响应曲线，记录动态特性指标值。(3)分别修改参数K，Tf和τd值（不超过原值的±5%），观察记录系统出现模型失配时控制效果的改变，并分析原因。(4)仿真验证执行机构非线性的作用。(5)PID控制对系统扰动信号的控制效果验证分析。一、实验结果选择采样周期Ts=1，PID控制器的控制参数为Kp=0.6，KI=0.002，KD=0.1，此时PID输出曲线为：通过此图可读出其详细性能指标：系统超调量σ%

6、=10%，上升时间tτ=90，调整时间tS=250，稳态误差ess=0。一、参考文献1.张宇河.计算机控制系统[M].北京：北京理工大学出版社，2002.2.薛定宇.反馈控制系统设计与分析—Matlab语言应用[M].北京：清华大学出版社，2000.3.施阳.MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK[M].西安：西北工业大学出版社，1998.二、实验体会通过本次实验，我进一步巩固了PID算法的基本理论，基本掌握了数字控制器的实现及认识，对MATLAB的操作也更加熟练，同时，我对分析和解决有

7、关PID控制的实际控制问题的综合能力也有了一定的提高。尽管最后的实验结果勉强做出来了，但是在实验的过程中，我遇到了好多问题，大部分的问题最后都通过查阅资料，网络搜索，还有向同学请教等方式解决了，还有一部分问题因为时间的缘故没来得及解决，希望考完试后抽时间再好好学习下。达林算法达林算法是IBM公司的达林(Dahlin)在1968年提出了一种针对工业生产过程中含有纯滞后对象的控制算法。其目标就是使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节。该算法具有良好的控制效果。大林控制算法的设计目标是

8、使整个闭环系统所期望的传递函数φ(s)相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联，即：，整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象G(s)的纯滞后时间τ相同。闭环系统的时间常数为，纯滞后时间τ与采样周期T有整数倍关，其控制器形式的推导的思路是用近似方法得到系统的闭环脉冲传递函数，然后再由被控系统的脉冲传递函数，反推系统控制器的脉冲传递函数。由达林控制算法的设计目标，可知整个闭环系统的脉冲传递函数应当是零阶保持器与理想的φ(s)串联之后的Z变换。对于被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环