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1、基于MATLAB的PID控制器设计摘要本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法,大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器(亦称调节器)及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器,若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中,参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展,对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件,例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此
2、软件主要运用RELAY-FEEDBACK法,线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法,设计一个温控系统的PID控制器,并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。1第一章绪论31.1课题来源及PID控制简介31.1.1课题的来源和意义31.1.2PID控制简介31.2国内外研究现状及MATLAB简介5第二章控制系统及PID调节72.1控制系统构成72.2PID控制82.2.1比例、积分、微分82.2.2P、I、D控制10第三章系统辨识错误!未定义书签。3.1系统辨识
3、113.2系统特性图133.3系统辨识方法14第四章PID最佳调整法与系统仿真错误!未定义书签。4.1PID参数整定法概述144.2针对无转移函数的PID调整法164.2.1RELAYFEEDBACK调整法164.2.2RELAYFEEDBACK在计算机做仿真174.2.3在线调整法184.2.4在线调整法在计算机做仿真194.3针对有转移函数的PID调整方法194.3.1系统辨识法194.3.2波德图法及根轨迹法22第五章基于matlab的PID控制器的设计结论错误!未定义书签。致谢28参考文献29
4、第一章绪论1.1PID控制简介1.1.1课题的意义任何闭环的控制系统都有它固有的特性,可以有很多种数学形式来描述它,如微分方程、传递函数、状态空间方程等。但这样的系统如果不做任何的系统改造很难达到最佳的控制效果,比如快速性稳定性准确性等。为了达到最佳的控制效果,我们在闭环系统的中间加入PID控制器并通过调整PID参数来改造系统的结构特性,使其达到理想的控制效果。1.1.2PID控制简介当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分:测量、比较和执行。测量关心的变量,与期望值相比较,用
5、这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是,做出正确的测量和比较后,如何才能更好地纠正系统,PID(比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史,现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂,使用中不需精确的系统模型等先决条件,因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为公式(1-1)公式(1-1)因此它的传递函数为公式(1-2)公式(1-2)比例调节作用:是按比
6、例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。积分调节作用:是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。微分调节作用:微分
7、作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。PID控制器由于用途广泛、使用灵活,已有系列化产品,使用中只需设定三个参数(K
8、p, Ki和Kd)即可。在很多情况下,并不一定需要全部三个单元,可以取其中的一到两个单元,但比例控制单元是必不可少的。首先,PID应用范围广。虽然很多控制过程是非线性或时变的,但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统,这样PID就可控制了。其次,PID参数较易整定。也就是,PID参数Kp,Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化,例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化,PID参数就可以重新整定。第三,PID控制