PID控制課程設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上大 連 海 事 大 學課 程 設 計課 程 控制工程軟件課程設計 題 目 離散系統(tǒng)的數(shù)字PID控制仿真 院 系 信息科學技術(shù)學院 專業(yè)班級 自動化一班 學生姓名 張亞婷 學生學號 指導教師 徐慧樸 2016年 1月 13日大連海事大學課程設計任務書課程 控制工程軟件課程設計 題目 離散系統(tǒng)的數(shù)字PID控制仿真 專業(yè) 自動化一班 姓名 張亞婷 學號 主要內(nèi)容： 控制對象為采樣時間為1ms，針對離散系統(tǒng)的階躍信號、正弦信號和方波信號的位置響應，設計離散的位置式PID控制器。其中S為信號選擇變量，并對控制器的輸出進行進行限幅：-10,-10?；疽螅海?） 設計可視化窗口

2、實現(xiàn)； （2）系統(tǒng)輸入信號可選擇，完成對PID參數(shù)，系統(tǒng)階次的調(diào)節(jié)；（3）顯示誤差大小；（4）完成全系統(tǒng)的詳細分析設計報告。參考資料： 1 鄭阿奇，曹戈.MATLAB實用教程（第三版）M.北京：電子工業(yè)出版社 2 網(wǎng)上查找離散系統(tǒng)的PID參數(shù)調(diào)節(jié)相關資料完成時間 2016.1.32016.1.13 學生 （簽名） 指導教師 （簽名）專業(yè)負責人 （簽名）2016年1月 13 日目錄3677810127 131415專心-專注-專業(yè)1設計要求控制對象為采樣時間為1ms，針對離散系統(tǒng)的階躍信號、正弦信號和方波信號的位置響應，設計離散的位置式PID控制器。其中S為信號選擇變量，S=1時為階躍跟蹤，S=

3、2時為方波跟蹤，S=3為正弦跟蹤。對控制器的輸出進行限幅：-10,10。要求:(1)系統(tǒng)的階次和系數(shù)可調(diào)；（2）PID參數(shù)可調(diào)；（3）用兩種方式顯示離散系統(tǒng)的數(shù)字PID控制仿真，并顯示誤差； （4）用MATLAB編寫成為可視化窗口實現(xiàn)上述功能；2方案設計2.1設計思路（1） 根據(jù)設計要求，理解PID控制的原理，確定控制仿真的方式為位置式和增量式兩種典型形式。（2） 建立可視化窗口界面，設計顯示界面，產(chǎn)生對應的腳本，編輯回調(diào)函數(shù)，首先獲得可變的PID參數(shù)，再獲得可變的分子分母系數(shù)。（3） 最后編輯顯示誤差值。優(yōu)化顯示界面，并調(diào)節(jié)擬合程度最好的PID參數(shù)。2.2總體方案方框圖比例yout(k)被控

4、對象ran(k) Y(k)ff積分 微分圖1 基本原理框圖2.3基本原理總體基本原理框圖如圖1所示。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值rin(t)與實際的輸出值yout(t)構(gòu)成偏差 PID的控制規(guī)律為 或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式為式中，比例系數(shù)；積分時間常數(shù)；微分時間常數(shù)。PID控制器各個校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1） 比例環(huán)節(jié)：成比例的反應控制系統(tǒng)的偏差信號。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2） 積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱主要取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強。（3） 微分環(huán)節(jié)：反應偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏

5、差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號。從而加快系統(tǒng)的動作速率，減少調(diào)節(jié)時間。3 位置式PID控制算法及其仿真3.1位置式PID算法原理yuer受控對象PID位置算法 + 位置式PID控制算法的簡化示意圖 d dteu上圖傳遞函數(shù)為： 在時域的傳遞函數(shù)表達式 對上式中的微分和積分進行近似： 式中n是離散點的個數(shù)于是傳遞函數(shù)可以簡化為： 其中 u(n)第k個采樣時刻的控制：比例放大系數(shù)；積分放大系數(shù)；微分放大系數(shù)；T 采樣周期。如果采樣周期足夠小，則近似計算可以得到足夠精確的結(jié)果，離散控制結(jié)果和連續(xù)系統(tǒng)十分接近。它表示的控制算法直接按所給的PID控制規(guī)律定義進行計算的，所以它給出

6、了全部控制量的大小，因此被稱為位置式PID控制算法。控制對象為 采樣時間為1ms，采用z變換進行離散化，經(jīng)過z變換后的離散化對象為 控制算法程序框圖可如下所示：開始 參數(shù)初始化 采入rin(k)和yout(k) 計算偏差值 計算控制器輸出 參數(shù)更新 返回程序及其批注見附錄所示。3.2不同輸入下的仿真界面結(jié)果顯示S=1時輸入為階躍的結(jié)果S=2時輸入為方波的結(jié)果S=3時輸入為正弦的結(jié)果4增量式PID算法及其仿真4.1增量式PID算法原理當我們把離散系統(tǒng)看做相等的增量值時間增加時，可以用增量式PID控制算法根據(jù)遞推原理可得 增量式PID控制算法 我們可以看出，如果我們采用恒定的采樣周期T，只要只用前

7、后三次測量的偏差，就可以得到控制量。PID算法的流程圖如下所示 開始讀取給定值r(k) 計算偏差e(k)=r(k)-y(k)計算 存以備輸出參數(shù)傳遞 返回程序以及注釋見附錄4.2不同輸入下的界面仿真顯示S=1時階躍輸入S=2方波輸入時S=3正弦輸入時5. 調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)得到最優(yōu)解比例控制：就是對偏差進行控制，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù)Kp， Kp越大偏差減小的越快，但是很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下，Kp減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)節(jié)速度變慢。但單純的比例控制存在靜差不能消除的缺點。這

8、里就需要積分控制。積分控制：實質(zhì)上就是對偏差累積進行控制，直至偏差為零。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關，而且還與偏差持續(xù)的時間有關。簡單來說就是把偏差積累起來，一起來運算。 微分控制：它能敏感出誤差的變化趨勢,可在誤差信號出現(xiàn)之前就起到修正誤差的作用,有利于提高輸出響應的快速性,減小被控量的超調(diào)和增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但微分作用很容易放大高頻噪聲,降低系統(tǒng)的信噪比,從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降。因此，在實際應用中，應慎用微分控制。 調(diào)節(jié)的過程中首先使得積分和微分系數(shù)為0，首先調(diào)節(jié)比例系數(shù)，得到臨界震蕩的Kp，再調(diào)節(jié)Ki由大到小調(diào)節(jié)，消除靜差，最后調(diào)

9、節(jié)Kd，減小調(diào)節(jié)時間，最后得到最優(yōu)的控制器參數(shù)，其誤差不一定最小。以下為階躍輸入下調(diào)節(jié)的最優(yōu)參數(shù)位置式增量式6. 位置式PID和增量式PID的比較整體圖形用戶界面如下所示：位置式PID控制算法的缺點：當前采樣時刻的輸出與過去的各個狀態(tài)有關，計算時要對e(k)即誤差進行累加，運算量大；而且控制器的輸出u(k)對應的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故 障，u(k)的大幅度變化會引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化。增量式PID是數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量u(k)。采用增量式算法時，計算機輸出的控制量u(k)對應的是本次執(zhí)行機構(gòu)位置的增量，而不是對應執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，因此要求執(zhí)行機構(gòu)必須具有對控

10、制量增量的累積功能，才能完成對被控對象的控制操作。 增量式算法優(yōu)點：算式中不需要累加?？刂圃隽縰(k)的確定僅與最近3次的采樣值有關，容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；計算機每次只輸出控制增量，即對應執(zhí)行機構(gòu)位置的變化量，故機器發(fā)生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產(chǎn)過程；手動自動切換時沖擊小。當控制從手動向自動切換時，可以作到無擾動切換。7 總結(jié)1. 就實現(xiàn)要求的用戶圖形界面來說，設計整體布局，以及實現(xiàn)需要的功能需要的圖形對象面板工具常用控件的選擇，雖然選擇是比較自由的，方式也是多樣的，第一次做位置式時我選擇了一組按鈕，來切換輸入信號。在做第二種增量式時，希望得到更多的方式或者學到不同常用

11、控件的實用方法，我選擇了設定一組單選按鈕，用了兩種語句來實現(xiàn)，一種是ifelse語句，一種是switch語句，兩種方法都可以實現(xiàn)單選按鈕的功能。2. 就PID控制系統(tǒng)而言，除了自動控制原理課堂上的，通過這次課程設計對于PID有了更加深刻的認識，對于其在矯正系統(tǒng)功能方面有了更加系統(tǒng)的認知，也進一步揭開了其常被應用的面紗。3. 離散系統(tǒng)的分析源自于連續(xù)系統(tǒng)的離散，首先進行離散化z變換，知道了位置式和增量式的區(qū)別最重要的在于位置式的變化和之前的每一個時刻都有關系，而增量式的只和最近三次的增量有關系。4. 這個課程設計鍛煉了我的思考和查閱資料的能力。 參考文獻1 鄭阿奇，曹戈.MATLAB實用教程（第

12、三版）M.北京：電子工業(yè)出版社 附錄主程序：function varargout = PID(varargin)gui_Singleton = 1;gui_State = struct(gui_Name, mfilename, . gui_Singleton, gui_Singleton, . gui_OpeningFcn, PID_OpeningFcn, . gui_OutputFcn, PID_OutputFcn, . gui_LayoutFcn, , . gui_Callback, );if nargin & ischar(varargin1) gui_State.gui_Callbac

13、k = str2func(varargin1);endif nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);endfunction PID_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)handles.output = hObject;guidata(hObject, handles);function varargout = PID_OutputFcn(hObject, eventdat

14、a, handles) varargout1 = handles.output;function jieyue_Callback(hObject, eventdata, handles)kp=str2double(get(handles.Kp,String);ki=str2double(get(handles.Ki,String);kd=str2double(get(handles.Kd,String);axes(handles.tu1); %選坐標軸1作圖nums=str2num(get(handles.num,String);dens=str2num(get(handles.den,Str

15、ing);out=PIDcontrol(1,kp,ki,kd,nums,dens);set(handles.error,String,num2str(out);function fangbo_Callback(hObject, eventdata, handles)kp=str2double(get(handles.Kp,String); ki=str2double(get(handles.Ki,String);kd=str2double(get(handles.Kd,String);axes(handles.tu1);%選坐標軸1作圖nums=str2num(get(handles.num,

16、String);dens=str2num(get(handles.den,String);out=PIDcontrol(2,kp,ki,kd,nums,dens);set(handles.error,String,num2str(out);function zhengxian_Callback(hObject, eventdata, handles)kp=str2double(get(handles.Kp,String);ki=str2double(get(handles.Ki,String);kd=str2double(get(handles.Kd,String);axes(handles.

17、tu1);%選坐標軸1作圖nums=str2num(get(handles.num,String);dens=str2num(get(handles.den,String);out=PIDcontrol(3,kp,ki,kd,nums,dens);set(handles.error,String,num2str(out);function Kp_Callback(hObject, eventdata, handles)function Kp_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,Backgroun

18、dColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction Ki_Callback(hObject, eventdata, handles)function Ki_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,

19、white);endfunction Kd_Callback(hObject, eventdata, handles)function Kd_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction error_Callback(hObject, eventdata, handles)function error

20、_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction den_Callback(hObject, eventdata, handles)function den_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,Backg

21、roundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction num_Callback(hObject, eventdata, handles)function num_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,Background

22、Color,white);endfunction tuichu_Callback(hObject, eventdata, handles)ss=questdlg(你真的要退出嗎？,退出窗口,不，我還想看看！,是的，我要退出！,是的，我要退出！);switch sscase 是的，我要退出！delete(handles.figure1);endfunction Kp1_Callback(hObject, eventdata, handles)function Kp1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObje

23、ct,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction Ki1_Callback(hObject, eventdata, handles)function Ki1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,Ba

24、ckgroundColor,white);endfunction Kd1_Callback(hObject, eventdata, handles)function Kd1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction error1_Callback(hObject, eventdata, handl

25、es)function error1_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc & isequal(get(hObject,BackgroundColor), get(0,defaultUicontrolBackgroundColor) set(hObject,BackgroundColor,white);endfunction jieyue1_Callback(hObject, eventdata, handles)function fangbo1_Callback(hObject, eventdata, handles)function z

26、hengxian1_Callback(hObject, eventdata, handles)function uibuttongroup2_SelectionChangedFcn(hObject, eventdata, handles)kp1=str2double(get(handles.Kp1,String);ki1=str2double(get(handles.Ki1,String);kd1=str2double(get(handles.Kd1,String);nums=str2num(get(handles.num,String);dens=str2num(get(handles.de

27、n,String);S_3=get(handles.zhengxian1,Value);S_2=get(handles.fangbo1,Value);S_1=get(handles.jieyue1,Value);axes(handles.tu2); %選坐標軸2作圖if S_3=1 out1=PIDcontrol1(3,kp1,ki1,kd1,nums,dens);elseif S_2=1 out1=PIDcontrol1(2,kp1,ki1,kd1,nums,dens);elseif S_1=1 out1=PIDcontrol1(1,kp1,ki1,kd1,nums,dens);end se

28、t(handles.error1,String,num2str(out1);% axes(handles.tu2); %選坐標軸2作圖% kp1=str2double(get(handles.Kp1,String);% ki1=str2double(get(handles.Ki1,String);% kd1=str2double(get(handles.Kd1,String);% nums=str2num(get(handles.num,String);% dens=str2num(get(handles.den,String);% n = get(handles,Tag);% switch

29、n% case jieyue1% out1=PIDcontrol1(1,kp1,ki1,kd1,nums,dens);% case fangbo1% out1=PIDcontrol1(2,kp1,ki1,kd1,nums,dens);% case zhengxian1% out1=PIDcontrol1(3,kp1,ki1,kd1,nums,dens);% end% set(handles.error1,String,num2str(out1);位置式調(diào)用程序：function out=PIDcontrol(S,kp,ki,kd,nums,dens)ts=0.001; %采樣時間sys=tf(nums,dens);dsys=c2d(sys,ts,z); %將系統(tǒng)離散化num,den=tfdata(dsys,v); %獲取離散后的分子分母系數(shù)n=length(den);for i=1:(n-1) u_(i)=0;y_(i)=0;endx=0,0,0;error_1=0; %初始偏差設置為0out=0; %初始誤差和為0for k=1:1000; time(k)=k*ts; %采樣時刻 if S=1 %階躍信號 rin(k)=