基于matlab仿真的pid控制器設(shè)計(參考版)
2024-11-14 15:58本頁面
【正文】 T 及 L 值與 C(t)及切線的關(guān)系如上 圖 37 所示。 (2) K、 T、 L 的求法： K：如上 圖 所示， K 值相當于 C(t)在穩(wěn)態(tài)時的大小。 ※注：系統(tǒng)越大，時間常數(shù)越大。 K： 穩(wěn)態(tài)時的大小。這個 S 狀曲線稱之為過程反應曲線（ process reaction curve）。這個調(diào)整法測是基于帶有延遲的一階傳遞函數(shù)模型提出的，這種對象模型可以表示為 1)( ?? ?TsKesG Ls 公式（ 31） 在實際的過程控制系統(tǒng)中，有大量的對象模型可以近似的由這樣的一階模型來表示，如果不能物理的建立起系統(tǒng)的模型，我們還可以由實驗提取相應的模型參數(shù) [5]。所以工業(yè)上設(shè)計 PID 控制器時，常常使用實驗方法而較少用理論來設(shè)計。 (2) 若被控對象的數(shù)學模式相當線性 (linear)，且各項參數(shù)都可知道，則可用控制理論來 設(shè)計 PID 控制器的系數(shù)大小。 所以對有較大慣性和（或）滯后的被控對象，比例 +微 分 (PD)的控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。解決的辦法是使克服誤差的作用的變化要有些“超前”，即在誤差接近零時，克服誤差的作用就應該是零。 自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。 因此，比例 +積分 (PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。積分項對誤差取關(guān)于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。 對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計算出控制量，控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關(guān)系在時域中如公式（ 24）和（ 25） : u(t)=Kp(e(t)+Tddttde)(+ ? dtteTi )(1) 公式 （ 24） U(s)=[ PK + ?SKi SKd ]E(s) 公式 （ 25） 公式中 U(s)和 E(s)分別為 u(t)和 e(t)的拉氏變換，pdd KKT ? ，iPKKTi? ，其中PK 、 iK 、 dK 分別為控制器 的比例、積分、微分系數(shù)［ 14］ Ｐ 、 Ｉ 、 Ｄ 控制 比例（ P）控制 比例控制是一種最簡單的控制方式。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來 獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時候，便最適合用 PID 控制技術(shù)。 PID 控制器問世至今已有近 60 年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具。 反饋控制系統(tǒng)方塊圖一般如圖 21 所示 ： 7 圖 21 反饋控制系統(tǒng)方塊圖 PID 控制 將感測與轉(zhuǎn)換器輸出的訊號與設(shè)定值做比較，用輸出信 號源 (210v 或420mA)去控制最終控制組件。 連續(xù)控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有任何影響，也就是說，控制端與控制對象為單向作用，這樣的系統(tǒng)亦稱開回路系統(tǒng)。其仿真結(jié)果是否可用，取決于數(shù)學模型正確與否，因此要注意模型的合理及輸入系統(tǒng)的參數(shù)值要準確。 本論文設(shè)計中 PID參數(shù)的整定用到的是 Mat lab 中的 SIMULINK,它 是一個強大的軟件包 ，在液壓系統(tǒng)仿真中只需要做數(shù)學模型的推導工作。在此環(huán)境下所解問題的 Mat lab 語言表述形式和其數(shù)學表達形式相同，不需要按傳統(tǒng)的方法編程并能夠進行高效率和富有創(chuàng)造性的計算，同時提供了與其它高級語言的接口，是科學研究和工程應用必備的工具。 ［ 4］ Matrix Laboratory(縮寫為 Mat lab)軟件包，是一種功能強、效率高、便于進行科學和工程計算的交互式軟件包。 ②對于多入多出被控對象，需要研究針對具有顯著耦合的多變量過程的多變量 PID 參數(shù)整定方法，進一步完善分散繼電反饋方法，盡可能減少所需先驗信息量，使其易于在線整定。 從目前 PID 參數(shù)整定方法的研究和應用現(xiàn)狀來看，以下幾個方面將是今后一段時間內(nèi)研究和實踐的重點。一個好的整定方法應該基于合理地考慮以下特性的折衷：負載干擾衰減，測量噪聲效果，過程變化的魯棒性，設(shè)定值變化的響應，所需模型，計算要求等 .我們需要簡單、直觀、易用的方法，它們需要較少的信息，并能夠給出合適的性能。 為了滿足不同系統(tǒng)的要求，針對多變量和非線形的系統(tǒng)還分別采用了 多變量PID 參數(shù)整定方法和非線性 PID 參數(shù)整定方法。 ［ 4］ 在基于模型的自整定方法中，可以通過暫態(tài)響應實驗、參數(shù)估計及頻率響應實驗來獲得過程模型。 ［ 4］ 自適應技術(shù)中最主要的是自 整定。目前，在眾多的整定方法中，主要有兩種方法在實際工業(yè)過程中應用較好，一種 是由?？怂共_（ Foxboro）公司推出的基于模式識別的參數(shù)整定方法（基于規(guī)則），另一種是基于繼電反饋的參數(shù)整定方法（基于模型） .前者主要應用于 Foxboro 的 5 單回路 EXACT 控制器及其分散控制系統(tǒng) I/A Series 的 PIDE 功能塊，其原理基于Bristol 在模式識別方面的早期工作 ［ 11］ 。他認為自整定控制器和自適應控制器能視為一個有經(jīng)驗的儀表工程師的整定經(jīng)驗的自動化， 在文［ 3］中繼續(xù)闡述了這種思想 ,認為自整定調(diào)節(jié)器包含從實驗中提取過程動態(tài)特性的方法及控制設(shè)計方法，并可能決定何時使用 PI 或 PID 控制，即自整定調(diào)節(jié)器應具有推理能力。 自 Ziegler 和 Nichols 提出 PID 參 數(shù)整定方法起，有許多技術(shù)已經(jīng)被用于 PID控制器的手動和自動整定 .根據(jù)發(fā)展階段的劃分，可分為常規(guī) PID 參數(shù)整定方法及智能 PID 參數(shù)整定方法；按照被控對象個數(shù)來劃分，可分為單變量 PID 參數(shù)整定方法及多變量 PID 參數(shù)整定方法，前者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者是最近研究的熱點及難點；按控制量的組合形式來劃分，可分為線性 PID 參數(shù)整定方法及非線性 PID 參數(shù)整定方法，前者用于經(jīng)典 PID 調(diào)節(jié)器，后者用于由非線性跟蹤 微分器和非線性組合方式生成的非線性 PID 控制器。 雖然有這些缺點， PID 控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器。 但仍不可否認 PID 也有其固有的缺點： PID 在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復雜過程
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