计算机课程设计

1、 电气工程学院 课程设计报告 课程名称： 计算机控制技术 设计题目： PID 控制算法的 MATLAB 仿真研究 专 业： 自动化 班 级： 4 学号： 20120220445 学生姓名： 宗佳琦 时 间： 2015.12.31 以下由指导教师填写 分项成绩：出勤 成品 答辩及考核 总 成 绩：总分 成绩 指导教师（签名） ： 一、一、 课程设计的目的和要求课程设计的目的和要求 1.1. 目的目的 （1） 通过课程设计进一步巩固PID算法基本理论及数字控制器实现的认识 和掌握，归纳和总结 PID 控制算法在实际应用中的一些特性。 （2） 熟悉 MATLAB 语言机器在控制系统设计中的应用，提高

2、学生设计控制系统程序的能力。 2.2.要求要求 通过额资料，了解 PID 算法的研究现状和研究领域，充分理解设计内容，对 PID 算法的基本原理与应用进行归纳和总结，并独立完成设计实验和总结报告。 二、二、 课程设计的基本内容课程设计的基本内容 任务的提出任务的提出 采用带纯滞后的一阶惯性环节作为系统的被控对象模型，传递函数为 G（s）=Ke-s1+Tfs，其中各参数分别为 K=30，Tf = 630，=60。 对 PID 控制算法的仿真研究可从以下四个方面展开。 （1）PID 控制器调节参数 Kp、KI、KD 的整定。PID 参数的整定对控制系统能否得到较好的控制效果至关重要，PID 参数的

3、整定方法有很多种，可采用理论整定法或者实验确定法，也可采用模糊自适应参数整定、遗传算法参数整定等新型的 PID 参数整定方法。选择某种方法对参数整定后，在 MATLAB 上对系统进行数字仿真，绘制系统阶跃响应曲线，从动态和静态特性的性能评价指标评价系统控制效果的优劣。 （2）改变对象模型参数，通过仿真实验讨论 PID 控制参数在被控对象迷行失配情况下的控制效果。由于在实际生产过程的控制中，用模型表示被控对象时往往存在一定误差，且参数也不可能是固定不变的。在已确定控制器最优 PID调节参数下，仿真验证对象模型的三个参数（K、Tf 、）中某个参数变化（不超过原值的 5%）时，系统出现模型失配时控制

4、效果改变的现象并分析原因。 （3）执行机构非线性对 PID 控制器控制效果的分析研究。在控制器输出后加入非线性环节（如饱和非线性、死区非线性等） ，从仿真结果分析、讨论执行机构的非线性对控制效果的影响。 （4）待系统稳定后，给系统施加小的扰动信号，观察此时系统的响应曲线，分析对不同的扰动信号类型和不同信号作用位置，系统是否依然稳定，并与无扰动情况下的响应曲线进行比较。 三、内容及步骤三、内容及步骤 1 1PIDPID 参数整定参数整定 首先选择一种 PID 控制器调节参数的整定方法，得到最优调节调节参数Kp、KI、KD。 （1）选择采样周期 由于被控对象中含有纯滞后，且其滞后时间常数为 ，故可

5、选择采样周期。 令积分时间常数，微分时间常数，从小到大调节比例系数，60d1sT iT 0dT K 使得系统发生等幅震荡如图 2，记下此时的比例系数和振荡周期得 . 图 1 （2）选择控制度为，按下面公式计算各参数： 在时，0.567,233kkKT，Ts=1 故可得： Kp=0.357 KI=0.003 KD=11.65 2.2.仿真实验仿真实验 首先打开 MATLAB，启动 simulink 工具箱，创建一个如图 2 所示仿真控制系统 。 观 察 系 统 阶 跃 响 应 曲 线 ， 记 录 动 态 特 性 指 标 值 。kKkT0.567,233kkKT1.05Q 0.630.490.14

6、0.014pkikdkskKKTTTTTT1sT 图 2 由Kp 、 KI 、 KD参 数 得 到 阶 跃 响 应 曲 线 如 下 图 所 示 图 3 由响应曲线可知，此时系统虽然稳定，但是暂态性能较差，超调量过大，且响应曲线不平滑。根据以下原则对控制器参数进行调整以改善系统的暂态过程： （1） 通过增大积分时间常数来保证系统稳定。 （2） 减小比例系数和微分时间常数，以减小系统的超调。 改变控制器参数后系统的阶跃响应曲线如图 4，系统暂态性能明显改善. 1Out1Zero-OrderHoldTransportDelay30630s+1Transfer FcnStep-K-Kp-K-Ki-K-

7、Kdz(z-1)(z-1)zAdd 图 4 最终，选择采样周期为，PID 控制器的控制参数为： 此时， 系统的超调量为 Mp=27.66%， 上升时间为 tr=134s， 调整时间为 ts=443s，稳态误差为。 3.3.模型失配对模型失配对控制器控制效果的影响控制器控制效果的影响 分别修改参数 K、Tf 、 值（不超过原值 5%） ，观察记录系统出现模型失配时控制效果的改变，并分析原因。 （1）当被控对象的比例系数增大时，系统的单位阶跃响应曲线如图 5 所示，此时系统的个暂态性能指标为： Mp=29.15%，tr=130s，ts=422s， 1sT 0.25,0.001,3pidKKK0ss

8、e PID5% 图 5 相对参数未变时单位阶跃响应而言，系统的超调量增大，上升时间和调整时间都减小，但是，各性能指标的变化量都比较小。这是因为，被控对象的比例系数增大使得系统的开环增益变大，故而系统响应的快速性得到提高，但超调量也随之增大。从被控对象的比例系数变化时系统的单位阶跃响应可知，当被控对象的比例系数在一定范围内变化时，对控制器的控制效果不会产生太大影响。 （2）当被控对象的惯性时间常数增大时，系统的单位阶跃响应曲线如图6 所示，此时系统的个暂态性能指标为： Mp=25.39%，tr=146s，ts=505s 相对参数未变时单位阶跃响应而言，被控对象的惯性时间常数增大使得系统的响应速度

9、变慢， 故而， 使得系统的超调量减小， 上升时间和调整时间都增大。又各性能指标的变化量都比较小，故可知，当被控对象的惯性时间常数在一定范围内变化时，对控制器的控制效果不会产生太大影响。 PID5%PID 图 6 当被控对象的纯滞后时间常数增大时，系统的单位阶跃响应曲线如图 7所示，此时系统的个暂态性能指标为：Mp=31.51%，tr=135s，ts=415s 图 7 4.4.仿真验证执行机构非线性的作用仿真验证执行机构非线性的作用 5% 含非线性框图： 在保持其它参数不变的情况下得到其阶跃响应曲线如图 8 所示。 图 8 从响应曲线可知，加入非线性环节后，系统的超调量、上升时间、调整时间均增大

10、，控制效果变坏。 5.PID5.PID 控制对系统扰动信号的控制效果验证分析控制对系统扰动信号的控制效果验证分析 在前向通道上控制器输出之后加阶跃扰动信号时系统的响应曲线如图 9 所Zero-OrderHoldTransportDelay30630s+1Transfer FcnStepScopeSaturation30.0010.25z(z-1)(z-1)zAdd 示。由响应曲线可知，系统达到稳态后，前向通道上的扰动信号将使得控制系统的输出产生波动，但通过控制器的作用，控制系统经过一个过渡过程后将会恢复原来的稳定状态。 四、总结四、总结 通过上面的仿真研究可知，对于大惯性、大滞后的被控对象采用

11、进行控制时，要取得较好的控制效果，需要合理里设置积分时间常数和微分时间常数，控制器无法克服被控对象的纯滞后，故起始时刻偏差信号较大，积分作用太强时就会使得系统振荡次数大、调整时间长，甚至使得系统不稳定。所以，在整定参数时，应当适当增大积分时间常数，减小积分作用以得到较好的控制效果。适当增强微分作用，能够在一定程度上改善大惯性对象动态性能，在满足超调量要求的情况下加快系统的响应速度。 通过计算机控制课程的学习，以及这次 PID 控制算法的 MATLAB 仿真研究课程设计，使我学习到许多知识。 首先熟悉了 MATLAB 中 simulink 的使用。之前我并没使用过 simulink，因此在设计过程中遇到了很大的阻力。但是，我积极向同学请教，并且查阅了一些资料，现在已经能完成基本操作。我已可以独立自主设计仿真。这让我感到很有成就感！ 其次，复习了自动控制理论中关于参数对动态特性的影响。以前只是掌握理论知识，通过这个课程设计，实习了理论联系实际操作。 附录：附录： PIDPIDPID 相关理论知识相关理论知识 （1）PID 算法原理； （2）P