基于MATLABSimulink环境下的PID参数整定市公开课一等奖省名师优质课赛课一等奖课件

基于MATLAB/Simulink环境下PID参数整定StudyonPIDparametersturningmethodbasedonMATLAB/Simulink一、PID控制(PIDControl)1.介绍

1.1PID控制应用广泛，实现简单1.2几个惯用PID参数整定方法1)稳定边界法2)4:1衰减法3)鲁棒法4)ISTE最优参数整定法(ItegralSquaredTime-weightedErrors）四种方法各有优缺点：稳定边界法和4:1衰减法上升时间短，调整过程快；鲁棒法和ISTE法超调量小，调整过程平衡，鲁棒性好。4:1衰减法有一定不足，鲁棒性差；ISTE法调整时间长；鲁棒法整定参数偏保守。2.PID参数及其对系统控制过程影响2.1PID控制参数(PIDparameters)工业常见PID控制规律为写成传递函数形式：计算机系统中常采取增量形式：普通地，增大百分比系数Kp,将加紧系统响应速度，在有静差系统中，有利于减小静差，但并不能根本上消除静差，且过大百分比系数会使系统产生超调，并产生振荡或使振荡次数增多，使调整时间加长，当百分比系数大于一定值时还会使系统稳定性变差甚至使系统变得不稳定。百分比系数过小又会使系统动作迟缓。积分控制通常与百分比控制或百分比微分控制联合使用，组成PI或PID控制，增大积分时间常数（积分变弱）有利于减小超调，减小振荡，使系统更稳定，但同时会延长系统消除静差时间。积分时间常数太小又会降低系统稳定性，增大系统振荡次数。微分控制通常与百分比控制或百分比积分控制联合使用，组成PD或PID控制。微分控制可改进系统动态特征，如减小超调量，缩短调整时间，允许加大百分比控制，使稳态误差减小，提升控制精度。但应该注意，微分时间常数偏大或偏小时，系统超调量依然存在，调整时间依然较长，只有适当微分时间常数，才能取得比较满意过渡过程。另外，微分作用也使得系统对扰动变得敏感。百分比：用于偏差“粗调”，确保系统“稳”积分：用于偏差“细调”，确保系统“准”微分：用于偏差“细调”，确保系统“快”二、PID参数整定(PIDParametersTurning)——Simulink环境下PID参数稳定边界法整定过程控制系统中，PID调整器惯用传递函数形式可写成

1）将积分系数KI和微分系数KD设为0，KP置较小值，使系统投入稳定运行。2）逐步增大百分比系数KP，直到系统出现稳定等幅振荡，即临界振荡过程。统计此时KP和临界振荡振荡周期T。3）按照下表经验公式以及对应调整器类型整定对应PID参数，然后再进行仿真校验和微调。使用稳定边界法整定PID参(Z-NMethod)分为以下几步调整规律整定参数KPKIKDP0.5KPPI0.455KP0.535KP/TPID0.6KP1.2KP/T0.075KPT实例(Instance)：已知被控对象数学模型为二阶振荡步骤，其传递函数为：测量装置和调整阀传递函数为：本系统是过程控制控制对象，其特点是时间常数大、控制要求不是很准确，所以PID校正是主要控制伎俩。详细步骤：1）在Simulink下搭建系统框图以下2）设置PID参数名称其仿真环境参数分别双击三个Gain元件，并在弹出对话框中填入对应变量名，比如Kp,Ki,Kd.在仿真环境设置中将“StopTime”设为60，“Relativetolerance”设为1e-5。3）初始化参数并逐步整定PID参数

在MATLABCommandWindow输入：Kp=1;Ki=0;Kd=0;然后回到Simulink界面，就能够开始仿真了。初始参数意义即相当于没有PID调整器校正前系统。点击Start开始仿真。从仿真结果看，校正前该系统在阶跃输入下是稳定，不过存在显著稳态误差。所以能够用稳定边界法来整定PID参数，以取得理想系统性能。

采取夹逼法，先把Kp设一较大值，看系统是否稳定，稳定就令Kp=2*Kp,不稳定就令Kp=Kp/2，直到出现临界稳定即等幅振荡。Kp=12.5

放大坐标观察两个波峰之间距离，比15多一点，所以T可取15.2，此时Kp=12.5。按照稳定边界法表格里计算方法，我们很轻易就能够得到整定PID参数。

在MATLABCommandWindow中输入Kp=12.5;T=15.2;Ki=1.2*Kp/T;Kd=0.075*Kp*T;Kp=0.6*Kp;

得到结果为：Kp=7.5000;Ki=0.9868;Kd=14.2500;

用上面整定PID参数进行系统仿真，得到校正后系统响应曲线以下：

由仿真结果可得系统超调量δ%＝60%，调整时间ts>40s，因为是过程控制系统，对调整时间和超调量要求不是很高，40s调整时间能够接收，但60%超调量还是大了一些，所以还应该深入修正。依据PID各部分参数对系统过程影响，我们适当降低Ki即增大积分时间常数，减弱积分作用，能够有效降低超调，令Ki=0.5000;再次仿真。由左图，超调量在35%左右，调整时间在33s左右，比修正前都大为改进，此时系统性能指标，对于过程控制来说已经比较令人满意了。三、总结这种基于MATLAB和Simulink仿真环境下PID参数整定方法与传统PID参数整定方法相比较，其特点是：简单、直观、有效、完全可视化且物理意义明确。这