PID控制系统设计及仿真MATLAB

编号 0814143 毕 业 论 文 （ 2012 届本科）题 目：PID 控制系统的设计及仿真（MATLAB） 学 院： 物理与机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 作者姓名： 指导教师 职称： 助 教（研究生）完成日期： 2012 年 5 月 20 日二 一 二 年 五 月目录摘 要 .1Abstract.2第一章 绪论 .11.1 课题意义及来源 .11.2 温度控制系统的研究现状 .11.2.1 工业温度控制发展简介 .11.2.2 温度微机控制系统控制方案 .21.3 MATLAB 简介 .4第二章 被控对象及控制策略 .52.1 被控对象 .52.2 控制策略 .62.2.1 比例、积分、微分 .62.2.2 P、I、D 控制 .8第三章 PID 最佳调整法与系统仿真 .103.1 PID 参数整定法概述 .103.1.1 PID 参数整定方法 .103.1.2 PID 调整方式 .103.2 针对无转移函数的 PID 调整法 .113.2.1 Relay feedback 调整法 .113.2.2 Relay feedback 在计算机做仿真 .123.2.3 在线调整法 .133.2.4 在线调整法在计算机做仿真 .143.3 针对有转移函数的 PID 调整方法 .153.3.1 系统辨识法 .153.3.2 波德图法及根轨迹法 .173.4 仿真结果及分析 .17总 结 .20参 考文献 .21致 谢 .22河 西 学 院 本 科 生 毕 业 设 计 诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计，是本人在指导老师的指导下，独立进行设计工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本设计不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作 者 签 名 ：二 年 月 日河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告论 文 题 目 PID 温控系统的设计及仿真(MATLAB)学 生 姓 名 所 属 学院 物 理 与 机 电工 程 学 院 专 业 电 气 工 程 及其 自 动 化 年 级 08 级指 导 教 师 所 在 单位 河 西 学 院 职 称 助 教（ 研 究 生 ） 开 题 日 期 2011.12.201本选题的理论、实际意义 此次所选的课题为基于 MATLAB 的 PID 控制器设计。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为常见的控制器（至今在全世界过程控制中的 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。本设计就是借助此软件，主要运用 Relay-feedback 法，线上综合法和系统辨识法来研究 PID 控制器的设计方法，设计一个应用于实际问题中的 PID 控制器，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。任何闭环的控制系统都有它固有的特性，可以有很多种数学形式来描述它，如微分方程、传递函数、状态空间方程等。但这样的系统如果不做任何的系统改造很难达到最佳的控制效果，比如快速性稳定性准确性等。为了达到最佳的控制效果，我们在闭环系统的中间加入 PID 控制器并通过调整 PID 参数来改造系统的结构特性，使其达到理想的控制效果。2本选题的研究动态和自己的见解PID 调节器从问世至今已历经了半个多世纪，在这几十年中，人们为它的发展和推广做出了巨大的努力，使之成为工业过程控制中主要的和可靠的技术工具。即使在微处理技术迅速发展的今天，过程控制中大部分控制规律都未能离开 PID，这充分说明 PID 控制仍具有很强的生命力。PID 控制中一个至关重要的问题，就是控制器三参数（比例系数、积分时间、微分时间）的整定。整定的好坏不但会影响到控制质量，而且还会影响到控制器的鲁棒性。论文的主要内容、基本要求及其主要的研究方法：本次课题的主要内容是通过对理论知识的学习和理解的基础上，自行设计一个基于MATLAB 技术的 PID 控制器设计，并能最终将其应用于一项具体的控制过程中。以下为此次课题的主要内容：(1) 完成 PID 控制系统及 PID 调节部分的设计其中包含系统辨识、系统特性图、系统辨识方法的设计和选择。(2) PID 最佳调整法与系统仿真其中包含 PID 参数整过程，需要用到的相关方法有：b.针对有转移函数的 PID 调整方法 主要有系统辨识法以及波德图法及根轨迹法。(3) 将此次设计过程中完成的 PID 控制器应用的相关的实例中，体现其控制功能（初步计划为温度控制器）论文进度安排和采取的主要措施：三月份：1、对于 MATLAB 的使用方法进行系统的学习和并熟练运用 MATLAB 的运行环境，争取能够熟练运用 MATLAB。2、查找关于 PID 控制器的相关资料，了解其感念及组成结构，深入进行理论分析，并同步学习有关 PID 控制器设计的相关论文，对其使用的设计方法进行学习和研究。3、查找相关 PID 控制器的应用实例，尤其是温度控制器的实例，以便完成最终的实际应用环节。四月份：1、开始对 PID 控制器进行实际的设计和开发，实现在 MATLAB 的环境下设计 PID 控制器的任务。2、通过仿真实验后，在剩余的时间内完成其与实际工程应用问题的结合，将其应用到实际应用中（初步计划为温度控制器） 。五月份：1、完成毕业设计定稿。2、论文打印以及答辩工作地准备。主要参考资料和文献：1 夏红，赏星耀，宋建成. PID 参数自整定方法综述J. 浙江科技学院学报 ,2003(5):16-19.2 王伟,张晶涛.PID 参数先进整定方法综述J.自动化学报, 2003(1):60-64.3 薛定宇.反馈控制系统设计与分析-MATLAB 语言应用M.清华大学出版社,2000.4 李言俊,张科.系统辨识理论及应用M.国防工业出版社,2002.5 佚名.PID 调节概念及基本理论M.2006, 中国自动化网.6 原菊梅.参数整定的研究J. 北京工商大学学报( 自然科学版) 2004.7 刘金琨.先进 PID 控制及 MATLAB 仿真M.电子工业出版社,2002.8 沈金钟.PID 控制器 :理论.调整与实现M. 台中市:沧海书局出版社 2006.9 陶永华.新型 PID 控制及其应用M.北京:电气自动化新技术丛书 ,2002.10 陈勇.光纤惯组的第二级温控系统的算法与仿真激光与红外 M.2011.11 张春鹏. PID 温控系统实训教学探讨.职业教育研究M.2011.12 李金堂，樊润杰.一种无超调钝角拐点的 PID 温控设计 电设计工程L.2010(3)33-36.指导教师意见：签 名： 年 月 日教研室意见负责人签名：年 月 日学院意见负责人签名：年 月 日1摘 要随着科技的不断进步，在控制系统中温度是常用的被控参数，而采用 MATLAB来对这些被控参数进行控制已成为当今的主流。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，目前得到广泛应用的 MATLAB 仿真系统本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback 法，线上综合法和系统辨识法来研究 PID 控制器的设计方法，设计一个温控系统的 PID 控制器，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，重点比较了在有无干扰信号时所得响应曲线的抗干扰性，通过比较得到，在加入干扰信号时，系统的干扰信号能较好的得到抑制，在系统中加入干扰信号是很有必要的，也是可行的。关键词： PID 控制 ；温控系统 ；MATLAB； 2AbstractAs technology advances, in the control system is the common was charged with the temperature parameters, and use MATLAB to these controlled parameter control has become the mainstream of today. In the design of the PID controller, parameters setting is the most important of all, with the rapid development of computer technology, the PID parameters setting by some of the most advanced software, at present of widely used MATLAB simulation system this design is based on the software main use Relay-feedback method, online synthesis and system identification method to study the PID controller design method, design a temperature control system of the PID controller, and through the virtual oscilloscope MATLAB observation system perfect in order after the jump a signal output waveform key compared with or without interference signals from when the response curve anti-interference, by comparing get to join jamming signal, the system of interference signals can be good, be suppressed, join in the system is a jamming signal necessary and feasible.Keywords: PID parameter setting; controller;MATLAB 1第一章 绪论温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。1.1 课题意义及来源在我们的日常生活中也使用微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器，温度与我们息息相关。另外在各高等院校的实验室中，无不将温度作为被控参数，构成微机测控系统，供学生作综合实验或课程设计。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。 可是由于温度自身的一些特点,如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等,使控制系统性能不佳。在关于温度控制的绝大部分文献资料中，控制结果都是有超调的，而且很多时候超调量较大，本论文是基于这一特点，研究一种控制方案，将其用于大部分温控场合，都能达到零超调，且调节时间快，稳态误差也非常小的理想效果。另一方面也是基于控制实验室建设的需求，将其用于对实验电烤箱温度进行控制，达到调节时间短、超调量为零且稳态误差在1内的技术要求。1.2 温度控制系统的研究现状1.2.1 工业温度控制发展简介目前先进国家各种炉窑自动化水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能够获得较好的工艺性能指标。 我国的温度控制系统的发展大致经历了三个阶段 1： 第一阶段：基地式仪表。四十年代初，当时由于石油、化工、电力等工业对自动化的需要，出现了将测量、记录、调节仪表组装在一个表壳里的基地式仪表。如自力式温度调节器。基地式仪表一般结构简单，价格低廉，它们的功能仅限于单回路控制且控制精度低。 第二阶段:单元组合式仪表。随着大型工业企业的出现，生产向综合自动化和集中控制的方向发展，人们发现基地式仪表的结构不够灵活，不如将仪表按功能划分，2制定若干种能独立完成一定功能的标准单元，各单元之间以规定的标准信号相互联系，这样仪表的精度可以提高。在使用中可根据需要，选择一定的单元，积木式地把仪表组合起来，构成各种复杂程度不同的自动控制系统，这种积木式的仪表就称为单元组合式仪表 2。 以上两个阶段，无论是基地式仪表阶段，还是单元组合式仪表阶段，都是利用各种仪表对温度进行检测、调节、控制。对于较复杂的系统，难以实现复杂的控制规律，控制精度不高。 第三阶段:微机控制阶段。随着微电子技术的发展、大规模集成电路制造的成功和微处理器的问世、计算机性能价格比的明显提高以及微型计算机在工业控制领域中的应用，使得温度控制系统发展到微机控制阶段。温度微机控制系统取代模拟控制系统，克服了其调节精度差、可靠性不高的缺点。由于计算机具有高速