基于MATLAB的PID控制器设计报告.doc

MATLAB论文——基于控制系统的PID调节基于MATLAB的PID控制器摘要：本论文主要研究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。本论文主要介绍PID的原理及简单的用法，探究控制器中各个参数对系统的影响，就是利用《自动控制原理》和《MATLAB》所学的内容利用简单的方法研究PID控制器的设计方法，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。关键字:PID控制简介PID控制器原理MATLAB仿真PID参数的设定正文：一、PID控制简介PID控制器又称PID调节器,是工业过程控制系统中常用的有源校正装置。长期以来，工业过程控制系统中多采用气动式PID控制器.由于气动组件维修方便,使用安全可靠,因此在某些特殊场合，例如爆炸式环境，仍然使用气动式PID控制器。随着运算放大器的发展和集成电路可靠性的日益提高，电子式PID控制器已逐渐取代了气动式PID控制器。目前，已在开发微处理器PID控制器。这里,仅简要介绍PID控制器的主要特性.PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值与实际输出值构成的控制偏差：=－将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID调节器。在实际应用中,常根据对象的特征和控制要求,将P、I、D基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的.例如，P调节器，PI调节器，PID调节器等。所以，正确计算控制器的参数，有效合理地实现PID控制器的设计,对于PID控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。二、原理分析与说明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（Kp，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控制器在实践中也不断的得到改进,下面两个改进的例子，在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动"模式下平稳工作。由于这些不足,采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID参数自整定就是为了处理PID参数整定这个问题而产生的。现在,自动整定或自身整定的PID控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。比例、积分、微分比例图2—2比例电路公式（2—1)积分器图2-3积分电路公式(2—2）图2—4微分电路微分器（式2—3)实际中也有PI和PD控制器。PID控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量，控制器输出和控制器输入(误差）之间的关系在时域中如公式(2—