PID控制的Simulink仿真

1、l5.1 PID控制概述l5.2 PID控制算法l5.3 PID控制器參數(shù)整定l5.4 本章小結(jié)l習(xí)題與思考l本章描述PID控制的基本概念，介紹PID控制算法以及PID參數(shù)整定等基礎(chǔ)知識(shí)，并通過(guò)大量的仿真實(shí)例講述PID參數(shù)整定。l通過(guò)本章，讀者對(duì)PID控制的原理、算法能有較為全面的認(rèn)識(shí)，并熟練通過(guò)仿真進(jìn)行PID參數(shù)整定。 在線性連續(xù)系統(tǒng)中，控制規(guī)律通常由以下三種情況組成：l（1）比例控制：控制作用u與偏差e成比例關(guān)系；l（2）積分控制：控制作用u為偏差e對(duì)時(shí)間的積分（ ）成比例關(guān)系；l（3）微分控制：控制作用u為偏差e對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)（ ）成比例關(guān)系；l因此，控制作用u常用的表示形式為：l式中的K

2、c是控制器的比例增益，Ti和Td都具有時(shí)間量綱，分別稱為積分時(shí)間和微分時(shí)間。0dte tdedt PID控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)：l（1）原理簡(jiǎn)單，使用方便。l（2）適應(yīng)性強(qiáng)。l（3）魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對(duì)被控制對(duì)象特性的變化不太敏感。5.2.1 比例（P）控制純比例控制的作用和比例調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 PI控制的主要特點(diǎn)為：l（1）PI控制器在與被控對(duì)象串聯(lián)連接時(shí)，相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于s左半平面的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)。l（2）位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。l（3）增加的負(fù)實(shí)部零點(diǎn)則可減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PI控

3、制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)過(guò)程產(chǎn)生的不利影響。l（4）在實(shí)際工程中，PI控制器通常用來(lái)改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。PD控制作用舉例PID控制的主要特點(diǎn)為：l（1）當(dāng)階躍輸入作用時(shí)，P作用是始終起作用的基本分量；I作用一開(kāi)始不顯著，隨著時(shí)間逐漸增強(qiáng)；D作用與I作用相反，在前期作用強(qiáng)些，隨著時(shí)間逐漸減弱。l（2）PI控制器與被控對(duì)象串聯(lián)連接時(shí)，可以使系統(tǒng)的型別提高一級(jí)，而且還提供了兩個(gè)負(fù)實(shí)部的零點(diǎn)。l（3）與PI控制器相比，PID控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)點(diǎn)外，還多提供了一個(gè)負(fù)實(shí)部零點(diǎn)，因此在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能方面具有更大的優(yōu)越性。l（4）PID控制通過(guò)積分作用消除誤差，而微分控制可縮小超越量，

4、加快反應(yīng)，是綜合了PI控制與PD控制長(zhǎng)處并去除其短處的控制。l（5）從頻域角度來(lái)看，PID控制是通過(guò)積分作用于系統(tǒng)的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，而微分作用于系統(tǒng)的中頻段，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：l（1）理論計(jì)算整定法l主要依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接使用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。l（2）工程整定方法l主要有Ziegler-Nichols整定法、臨界比例度法、衰減曲線法。這三種方法各有特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到

5、的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。l工程整定法的基本特點(diǎn)是：不需要事先知道過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，直接在過(guò)程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整定；方法簡(jiǎn)單，計(jì)算簡(jiǎn)便，易于掌握。 Ziegler-Nichols法根據(jù)給定對(duì)象的瞬態(tài)響應(yīng)特性來(lái)確定PID控制器的參數(shù)。Ziegler-Nichols法首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)，獲取控制對(duì)象單位階躍響應(yīng) ： l按“先P后I最后D”的操作程序，將求得的整定參數(shù)設(shè)置在調(diào)節(jié)器上，再觀察運(yùn)行曲線，若不太理想，還可作適當(dāng)調(diào)整。l衰減曲線法的注意事項(xiàng)：l（1）對(duì)于反應(yīng)較快的控制系統(tǒng)，要認(rèn)定41衰減曲線和讀出Ts比較困難，此時(shí)，可認(rèn)為記錄指針來(lái)回?cái)[動(dòng)兩次就達(dá)到穩(wěn)定是41衰減過(guò)程。l（

6、2）在生產(chǎn)過(guò)程中，負(fù)荷變化會(huì)影響過(guò)程特性。當(dāng)負(fù)荷變化較大時(shí)，必須重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)值。l（3）若認(rèn)為41衰減太慢，可采用101衰減過(guò)程。對(duì)于101衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的步驟與上述完全相同，僅僅所用計(jì)算公式有些不同。 總結(jié)出幾條基本的PID參數(shù)整定規(guī)律：l（1）增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。l（2）增大積分時(shí)間有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長(zhǎng)。l（3）增大微分時(shí)間有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。lPID控制是