PID控制的Simulink仿真.ppt

1、過程控制工程及仿真基于MATLAB/Simulink電子工業(yè)出版社 出版 2009.4,作者：郭陽寬 王正林 聯(lián)系郵箱：wa_,5.1 PID控制概述 5.2 PID控制算法 5.3 PID控制器參數(shù)整定 5.4 本章小結(jié) 習(xí)題與思考,第5章 PID控制,內(nèi)容提要,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，并通過大量的仿真實(shí)例講述PID參數(shù)整定。 通過本章，讀者對PID控制的原理、算法能有較為全面的認(rèn)識，并熟練通過仿真進(jìn)行PID參數(shù)整定。,5.1 PID控制概述,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： （1）比例控制：控制作用u與偏差e成比例關(guān)系

2、； （2）積分控制：控制作用u為偏差e對時(shí)間的積分（ ）成比例關(guān)系； （3）微分控制：控制作用u為偏差e對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)（ ）成比例關(guān)系； 因此，控制作用u常用的表示形式為： 式中的Kc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。,PID控制器具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）原理簡單，使用方便。 （2）適應(yīng)性強(qiáng)。 （3）魯棒性強(qiáng)，即其控制品質(zhì)對被控制對象特性的變化不太敏感。,5.2 PID控制算法,5.2.1 比例（P）控制,純比例控制的作用和比例調(diào)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響,5.2.2 比例積分（PI）控制,PI控制的主要特點(diǎn)為： （1）PI控制器在與被控對象串聯(lián)連接時(shí)，相當(dāng)于在系統(tǒng)

3、中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于s左半平面的開環(huán)零點(diǎn)。 （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。 （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控制器極點(diǎn)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及動態(tài)過程產(chǎn)生的不利影響。 （4）在實(shí)際工程中，PI控制器通常用來改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。,PI控制舉例,5.2.3 比例微分（PD）控制,PD控制作用舉例,5.2.4 比例積分微分（PID）控制,PID控制的主要特點(diǎn)為： （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

4、漸減弱。 （2）PI控制器與被控對象串聯(lián)連接時(shí)，可以使系統(tǒng)的型別提高一級，而且還提供了兩個(gè)負(fù)實(shí)部的零點(diǎn)。 （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)動態(tài)性能方面具有更大的優(yōu)越性。 （4）PID控制通過積分作用消除誤差，而微分控制可縮小超越量，加快反應(yīng)，是綜合了PI控制與PD控制長處并去除其短處的控制。 （5）從頻域角度來看，PID控制是通過積分作用于系統(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)的動態(tài)性能。,5.3 PID控制器參數(shù)整定,PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類： （1）理

5、論計(jì)算整定法 主要依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(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，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。 （2）工程整定方法 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)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。 工程整定法的基本特點(diǎn)是：不需要事先知道過程的數(shù)學(xué)模型，直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行現(xiàn)場整定；方法簡單，計(jì)算簡便，易于掌握。,5.3.1 Ziegler-Nichols整定法,Ziegler-Nichols法

6、根據(jù)給定對象的瞬態(tài)響應(yīng)特性來確定PID控制器的參數(shù)。Ziegler-Nichols法首先通過實(shí)驗(yàn)，獲取控制對象單位階躍響應(yīng) ：,Ziegler-Nichols整定舉例,5.3.2 臨界比例度法,臨界比例度法整定舉例,5.3.3 衰減曲線法,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。 衰減曲線法的注意事項(xiàng)： （1）對于反應(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)為記錄指針來回?cái)[動兩次就達(dá)到穩(wěn)定是41衰減過程。 （2）在生產(chǎn)過程中，負(fù)荷變化會影響過程特性。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。 （3）若認(rèn)為41衰減太慢，可采用101衰減過程。對于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。,衰減曲線法整定舉例,PID參數(shù)整定規(guī)律,總結(jié)出幾條基本的PID參數(shù)整定規(guī)律： （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，但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。 （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。 （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)對擾動的抑制能力減弱。,5.4 本章小