自动控制期中小论文-pid控制器

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1、自动控制期中小论文摘要：PID控制器结构和算法简单，应用广泛，但参数整定方法复杂，通常用凑试法来确定。文中探讨利用MATLAB实现PID参数整定及仿真的方法，并对整个系统进行时域和频域分析，绘制零极点，根轨迹，bode图和nyquist图。探讨了K,T,T3个参数对PID控制规律的影响。关键词：MATLAB；PID控制器；参数整定；仿真高阶系统分析引言PID控制器又称为PID调节器，是按偏差的比例P(ProPortional)、积分I(Integral)、微分D(DifferentialorDerivative)进行控制的调节器的简称，它主要针对控制

2、对象来进行参数调节。PID控制器问世至今，控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论3个阶段。在工业控制系统和工程实践中，传统的PID控制策略依然被广泛采用。因为它算法简单、稳定性好、工作可靠、鲁棒性好，在工程上易于实现。但PID控制器的参数整定方法复杂，通常采用PID归一参数整定法和试凑法来确定，费时、费力，且不能得到最优的整定参数。针对这一问题，文中探讨用MATLAB实现PID参数整定及仿真的方法及控制参数对PID控制规律的影响。利用MATLAB强大的计算仿真能力，解决了利用试凑法来整定参数十分浩繁的工作，可以方便、快速地找到使

3、系统达到满意性能指标的参数。PID控制器的原理与算法当被控对象的结构和参数不能被完全掌握，或得不到精确的数学模型时，应用PID控制技术最为方便。PID控制器就是根据设定值与实际值的误差，利用比例(P)、积分(I)、微分(D)等基本控制规律，或者把它们适当配合形成有PI，PD和PID等的复合控制规律，使控制系统满足性能指标要求。控制系统大多都有储能元件，这就使系统对外界的响应有一定的惯性，且能量和信息在传输和转化的过程中，由于管道、距离等原因也会造成时间上的延迟，所以，按偏差进行比例调节，很难取得理想的控制效果，因此引人偏差的积分(PI)调节以提高精度

4、，引入偏差的微分(PD)来消除系统惯性的影响。这就形成了按偏差的PID调节系统。图1是典型PID控制系统结构图。在PID调节器作用下，对误差信号分别进行比例、积分、微分组合控制。调节器的输出作为被控对象的输入控制量。PID控制算法的模拟表达式为相应的传递函数为式中为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。在传统的PID调节器中，确定3个参数的值，是对系统进行控制的关键。因此，控制最主要的问题是参数整定问题，在PID参数进行定时，若有理论方法确定PID参数当然最为理想，但实际应用中，更多的是通过试凑法来确定PID的参数。而利用MATLAB强大的仿真工

5、具箱的功能，可以方便地解决参数整定问题零-极点分析方法是一种对电路的稳定性分析相当有用的工具。该分析方法可以用于交流小信号电路传递函数中零点和极点的分析。分析通常从直流工作点分析开始，对非线性器件求得线性化的小信号模型。在此基础上再进行分析传输函数的零-极点。零-极点分析方法采用SPICE算法，在运行时若出现“达到零-极点分析迭代极限，200点以后将放弃(Pole-Zeroiterationlimitreached,givingupafter200iterations)根轨迹分析法：当开环系统的一个或多个参数发生变化时，根据系统的开环零点和极点，借助

6、于若干条绘图法则，绘制出闭环特征根变化的轨迹。利用根轨迹法可以分析闭环系统的稳定性，计算（或估算）闭环系统的暂态和稳态性能指标，确定闭环系统的某些参数对于系统性能的影响以及对闭环系统进行校正等根轨迹方程（1）负反馈系统的根轨迹方程典型负反馈控制系统的结构图如右图所示。根轨迹方程是关于复变量方程，写成极坐标形式如下于是，根轨迹方程又可以分解为幅值方程和相角方程如下幅值方程：相角方程：，（2）幅值方程、相角方程的几何意义从绘制根轨迹图的角度来看，根轨迹上的任意一点只要满足相角方程，即可画出根轨迹了，可以说相角方程是根轨迹的充分必要条件。而幅值方程的作用主

7、要用来确定已知点对应的增益。（3）正反馈系统的根轨迹方程若系统为正反馈时，其根轨迹方程为幅值方程为：相角方程为：，另外，时，负反馈系统的根轨迹称为根轨迹，正反馈系统的根轨迹就称为根轨迹。频率特性基本概念如果将控制系统中的各个变量看成是一些信号，而这些信号又是由许多不同频率的正弦信号合成的，则各个变量的运动就是系统对各个不同频率信号响应的总和。系统对正弦输入的稳态响应称频率响应。利用这种思想研究控制系统稳定性和动态特性的方法即为频率响应法。频率响应法的优点为：1.物理意义明确；2.可以利用试验方法求出系统的数学模型，易于研究机理复杂或不明的系统，也适用

8、于某些非线性系统；3.采用作图方法，非常直观；1.频率特性函数的定义对于稳定的线性系统或者环节，在正弦输入的