1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程三級(jí)項(xiàng)目某二階系統(tǒng)的 PID 控制器設(shè)計(jì)及參數(shù)整定報(bào)告人： 劉寶指導(dǎo)教師：劉思遠(yuǎn)燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)電控制系2012年 9 月 23日目錄計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程三級(jí)項(xiàng)目 11.1 PID 控制的應(yīng)用現(xiàn)狀 31.2 PID 控制器各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)系能的影響 3比例系數(shù) KP 對(duì)系統(tǒng)性能的影響 31.2.2 積分系數(shù) K1 對(duì)系統(tǒng)性能的影響 41.2.3 微分系數(shù) K2 對(duì)系統(tǒng)性能的影響 51.3 對(duì)給定的系統(tǒng)進(jìn)行 PID 控制調(diào)節(jié) 61.4 收獲與感想 81.1 PID 控制的應(yīng)用現(xiàn)狀在工程實(shí)際中， 應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、 積分、微分控 制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID

2、調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史， 它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 穩(wěn)定性好、工作可靠、 調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技 術(shù)之一。從理論角度而言， PID 控制是 20世紀(jì) 40年代開始的調(diào)節(jié)原理的一種典 型代表。 PID 控制再世紀(jì)控制工程中應(yīng)用最廣，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)過(guò)程 控制、航空航天控制等領(lǐng)域中， PID 孔的應(yīng)用占 80%以上。盡管 PID 控制已 經(jīng)寫入經(jīng)典教科書，然而由于 PID 控制的簡(jiǎn)單與良好的應(yīng)用效果，人們?nèi)?在不斷研究 PID 控制器各種設(shè)計(jì)方法（包括各種自適應(yīng)調(diào)節(jié)、最優(yōu)化方法） 和未來(lái)潛力。由于液壓控制系統(tǒng)大功率、 高控制精度、 技術(shù)成熟等特點(diǎn)， 在要求精度 高的重型機(jī)械

3、機(jī)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)實(shí)工業(yè)中比例伺服閥與 PID 控 制器的結(jié)合， 使得液壓控制對(duì)于位移、 速度、 壓力等的控制獲得更加良好的 效果。1.2 PID 控制器各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)系能的影響比例系數(shù) KP 對(duì)系統(tǒng)性能的影響（1）對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響： KP 加大，將使系統(tǒng)響應(yīng)速度加快， KP 偏 大時(shí)，系統(tǒng)振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；KP 太小又會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)速度緩慢。 KP 的選擇以輸出響應(yīng)產(chǎn)生 4:1衰減過(guò)程為宜。（2）對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響：在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，加大 KP 可以減少 穩(wěn)態(tài)誤差， 但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。 因此 KP 的整定主要依據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能D13TBrnp-：芒上匚）the i

4、nfluence ot different KpKP=2調(diào)節(jié)P的大小對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能影響如圖。由圖可見，當(dāng)Kp加大時(shí)，可是系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，速度加快，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將減小， 卻不能完全消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。Kp偏大時(shí)，系統(tǒng)的震蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié) 時(shí)間增長(zhǎng)。Kp太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定。122積分系數(shù)K1對(duì)系統(tǒng)性能的影響積分控制通常和比例控制或比例微分控制聯(lián)合作用， 構(gòu)成PI控制或PID 控制。(1) 對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響：對(duì)于合適的k1值，可以減小系統(tǒng)的超調(diào) 量，提高了穩(wěn)定性，弓I入積分環(huán)節(jié)的代價(jià)是降低系統(tǒng)的快速性。(2) 對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響：積分控制有助于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提 高

5、系統(tǒng)的控制精度，但若k1太大，系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生震蕩，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。123459Time由此可見，積分作用能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，系統(tǒng)積分作用 的引入通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，K1太大時(shí)系統(tǒng)將不穩(wěn)定，K1偏大時(shí)系統(tǒng) 的震蕩次數(shù)較多。微分系數(shù)K2對(duì)系統(tǒng)性能的影響（1）對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響：微分系數(shù) K2的增加即微分作用的增加 可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如減少超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間等。適當(dāng)加大比例 控制，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但 K2值偏大或偏小都會(huì)適得其 反。另外微分作用有可能放大系統(tǒng)的噪聲，降低系統(tǒng)的抗干擾能力。（2）對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響：微分環(huán)節(jié)的加入，可以在誤差出現(xiàn)或變化瞬間

6、，按偏差變化的趨向進(jìn)行控制。它引進(jìn)一個(gè)早期的修正作用，有助于 增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Step Response41-.&E do.血 glUNr*Kp-8 ,k1 Djiriflusnce-Of dfferent K2K2=Kp*Di/TQl-a0.5L23.5Time (sec)微分控制經(jīng)常與比例控制或積分控制聯(lián)合使用。引入微分控制可以改善 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，當(dāng)K2偏小時(shí)，超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長(zhǎng)；當(dāng) K2合 適時(shí)可以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。1.3對(duì)給定的系統(tǒng)進(jìn)行PID控制調(diào)節(jié)通過(guò)改變不同的參數(shù)，便可得到在不同參數(shù)情況下的系統(tǒng)響應(yīng)，而且以一個(gè)清晰的圖像表示出來(lái)。1.80.4Step R

7、esponse0234TimE (sec)首先取比例系數(shù) 快，滿足系統(tǒng)的要求, 節(jié)。Kp=30系統(tǒng)響應(yīng)如圖。由圖中可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)較但是穩(wěn)態(tài)誤差較大，需要引入積分環(huán)節(jié)，進(jìn)行PI調(diào)Kp=：X.K1=0 4System &I irne (secjr K.S/Amplitude: 0 07S245E7Tiinr Csec)取比例系數(shù)Kp=30，K1=0.4系統(tǒng)響應(yīng)如圖。由圖可以看出，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差已經(jīng)達(dá)到要求，但是系統(tǒng)的超調(diào)量較大，震蕩次數(shù)較多，調(diào)整時(shí)間較 長(zhǎng)，需要引入微分環(huán)節(jié)，進(jìn)行 PID調(diào)節(jié)。1rSystem； O-CiTame (sec): U.11Tirrw Ooc)； 0.8SAmplr

8、tuda: 1 01:Arwlitude： 0.902；一p in i i* i i i i r 11 n !ii1 n a ii 1 ! Bl II張 l II !l H 1 1 1 II 匚1L2(J.4O.t0-tlTime rsec)Rciponac8 6 4 a.mg 總!忌1.2取Kp=35, K1=0.4 , K2=15系統(tǒng)響應(yīng)如圖。由圖可以看出，系統(tǒng)的超 調(diào)量小于2%,調(diào)整時(shí)間小于0.2s,穩(wěn)態(tài)誤差小于5%,很好的滿足了系統(tǒng)的 要求。PID控制器的參數(shù)必須根據(jù)工程問(wèn)題的具體要求來(lái)考慮。 在工業(yè)過(guò)程 控制中，通常要保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，對(duì)給定量的變化能迅速跟蹤，超調(diào)量小。 在不同干擾

9、下輸出應(yīng)能保持在給定值附近， 控制量盡可能地小，在系統(tǒng)和環(huán) 境參數(shù)發(fā)生變化時(shí)控制應(yīng)保持穩(wěn)定。 一般來(lái)說(shuō)，要同時(shí)滿足這些要求是很難 做到的，必須根據(jù)系統(tǒng)的具體情況，滿足主要的性能指標(biāo)，同時(shí)兼顧其它方 面的要求。在選擇采樣周期T時(shí)，通常都選擇T遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。因此， PID參數(shù)的整定可以按模擬控制器的方法來(lái)進(jìn)行。1.4收獲與感想通過(guò)這次的課程三級(jí)項(xiàng)目，我更加深入的了解了 PID的控制機(jī)理，單 純的學(xué)習(xí)課本上的理論知識(shí)，我們只能大概的了解它的機(jī)理，但是其深層含 義卻無(wú)法體會(huì)，這次通過(guò) matlab程序仿真，通過(guò)一次一次的參數(shù)整定，了 解到每一個(gè)參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)行性能的影響，這樣從實(shí)際中了解到這些知 識(shí)，才能更加領(lǐng)會(huì)其中的真正