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  • 基于MATLABPID_控制器设计,较为详细的一个设计过程
  • 023 文章编号:1000 -2243( 2011) 06 -0898 -06 运用 Matlab 实现 PID 控制器的设计 郑剑翔 ( 福州大学现代教育技术中心,福建 福州 350108) 摘要: 传统的 PID 控制器设计中的参数调试耗时费力且调节不当还可能...

    第 39 卷 第 6 期 2011 年 12 月 福州大学学报( 自然科学版) Journal of Fuzhou University( Natural Science Edition) Vol. 39 No. 6 Dec. 2011 DOI: CNKI:35 -1117/N. 20111220. 0957. 023 文章编号:1000 -2243( 2011) 06 -0898 -06 运用 Matlab 实现 PID 控制器的设计 郑剑翔 ( 福州大学现代教育技术中心,福建 福州 350108) 摘要: 传统的 PID 控制器设计中的参数调试耗时费力且调节不当还可能损坏机器. 使用 2009b 版 Matlab 软件新增的 PID 控制模块,可方便快捷地完成PID 调试工作. 以设计液压式旋切机控制器为例,分析使用 Matlab 的PID 控制模块、定点工具以及嵌入式实时代码工具完成 PID 控制器的设计,包括对象建模、离散化和定点运算处理等工作. 关键词: PID 控制; Matlab; 无卡轴旋切机; 液压 中图分类号: TP271. 2 文献标识码: A An implementation method for PID controller design by Matlab ZHENG Jian - xiang ( Modern Education Technology Center of Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350108,China) Abstract: Parameters adjustment is a complicated and time - consuming work in traditional PID con-troller design usually,inappropriate adjustment can cause hardware damage. By using newly added PID controller module in 2009b version of Matlab software,PID adjustments will become more conven-ience and faster. It can become easily to do PID controller design,including user’s plant modling,discrete - time implementation and fixed - point scaling in the design. Using a controller design proce-dure of hydraulic veneer lathe as example,this paper introduces how to use PID control module,fixed - piont toolbox,and embedded real - time coder of Matlab to design a PID controller easily. Keywords: PID control; Matlab; veneer peeling lathe; hydraulic pressure 0 引言 调试 PID 控制器需要确定三个参数值: 比例、积分和微分的增益. 要安全系统地找到能保证控制系统最佳运行的一组参数是一件复杂的工作[1]. 用传统的方法调试,

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    基于MATLAB的PID_控制器设计

    基于MATLAB的PID 控制器设计

    基于MATLAB的PID 控制器设计

    一、PID控制简介

    PID控制是最早发展起来的经典控制策略, 是用于过程控制最有效的策略之一。由于其原理简单、技术成,在实际应用中较易于整定, 在工业控制中得到了广泛的应用。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型,只需在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数, 经过经验进行调节器参数在线整定, 即可取得满意的结果, 具有很大的适应性和灵活性。

    积分作用:可以减少稳态误差, 但另一方面也容易导致积分饱和, 使系统的超调量增大。

    微分作用:可提高系统的响应速度, 但其对高频干扰特别敏感, 甚至会导致系统失稳。

    所以, 正确计算控制器的参数, 有效合理地实现 PID控制器的设计,对于PID 控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。

    在PID控制系统中, PID控制器分别对误差信号e(t)进行比例、积分与微分运算, 其结果的加权和构成系统的控制信号u(t),送给对象模型加以控制。 PID控制器的数学描述为

    其传递函数可表示为:

    从根本上讲, 设计PID控制器也就是确定其比例系数Kp、积分系数T i 和微分系数T d , 这三个系数取值的不同, 决定了比例、积分和微分作用的强弱。控制系统的整定就是在控制系统的结构已经确定、控制仪表和控制对象等处在正常状态的情况下, 适当选择控制器参数使控制仪表的特性和控制对象的特性相配合, 从而使控制系统的运行达到最佳状态, 取得最好的控制效果。

    MATLAB的 Ziegler-Nichols算法PID控制器设计。

    1、PID控制器的Ziegler-Nichols参数整定

    在实际的过程控制系统中, 有大量的对象模型可以近似地由一阶模型来表示。这个对象模型可以表示为

    如果不能建立起系统的物理模型, 可通过试验测取对象模型的阶跃响应, 从而得到模型参数。当然, 我们也可在已知对象模型的情况下, 利用MATLAB,通过使用step ( ) 函数得到对象模型的开环阶跃响应曲线。在被控对象的阶跃响应中, 可获取K 、L 和 T参数, 也可在MATLAB中由 dcgain ( ) 函数求取 K值。

    2.在 MATLAB下实现PID 控制器的设计与仿真

    已知被控对象的K、L 和T 值后, 我们可以根据Ziegler — Nichols整定公式编写一 个MATLAB函数ziegler_std ( )用以设计PID控制器。该函数程序如下:

    function [num,den,Kp,Ti,Td,H]=Ziegler_std (key,vars)

    Ti=[ ];Td=[ ];H=[ ];

    K=vars(1) ;

    L=vars(2) ;

    T=vars (3);

    a=K*L/T;

    if key==1

    num=1/a; %判断设计P 控制器

    elseif key==2

    Kp=0.9/a;Ti=3.33*L; %判断设计PI 控制器

    elseif key==3,

    Kp=1.2/a;Ti=2*L;Td=L/2; %判断设计PID控制器

    end

    switch key

    case 1

    num=Kp;den=1; % P控制器

    case 2

    num=Kp*[Ti,1];den=[Ti,0]; % PI控制器

    case 3 % PID控制器

    p0=[Ti*Td,0,0];

    p1=[0,Ti,1];p2=[0,0,1];

    p3=p0+p1+p2;

    p4=Kp*p3;

    num=p4/Ti;

    den=[1,0];

    end

    由图可知L和T

    令。在求得L 和α参数的情况下, 我们可通过表1中给出的Ziegler — Nichols经验公式确定 P、PI 和PID控制器的参数。

    三、对某传递函数的控制

    未加控制器的仿真:

    Simulink下的系统图

    仿真输出图形如下:

    第一次测量

    T=3.28 L=1.38 K=1 =0.42

    P控制

    Kp==2.38

    Simulink下的系统图

    仿真输出图形如下:

    峰值时间tp=4.15s,峰值为0.9518

    上升时间td=2.953s

    调节时间ts=14.4s

    PI控制

    Kp==2.14 Ti=3.33L=4.60

    Simulink下的系统图:

    仿真后的输出曲线为:

    峰值时间tp=4.48s,峰值1.019s

    上升时间td=

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  • EDA365欢迎您登录!... N" {PID控制是闭环控制的一种经典算法。反馈信号取自系统的输出端。当输出量偏离所要求给定的值时,反馈信号成比例变化。在输入端,给定信号与反馈信号相比较,存在一个偏差值...

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    本帖最后由 HelloEE 于 2019-11-25 17:15 编辑

    8 E9 J7 _8 ?! v7 M9 f0 C5 Q' b" g6 J: M7 f. N" {

    PID控制是闭环控制的一种经典算法。反馈信号取自系统的输出端。当输出量偏离所要求给定的值时,反馈信号成比例变化。

    在输入端,给定信号与反馈信号相比较,存在一个偏差值。对于该偏差值,经过P、I、D调节,执行单元改变输出信号,迅速、准确地消除系统的偏差,恢复到给定值,振荡和误差都比较小。

    none.gif

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    2019-11-25 17:01 上传

    在这里我们以:

    3 H6 I1 p8 D$ m

    none.gif

    2.png (30.62 KB, 下载次数: 0)

    2019-11-25 17:01 上传

    为控制对象。G(s)为该控制对象的传递函数,在信号与系统中也可以叫系统函数。

    然后z变换离散化,经z变换后的离散化对象为:

    none.gif

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    2019-11-25 17:01 上传

    经典PID控制器为:

    none.gif

    4.png (18.35 KB, 下载次数: 0)

    2019-11-25 17:01 上传

    比例项=kp(比例系数)*error(k)(当前误差)

    微分项=kd(微分系数)*(error(k)-error(k-1))/ts(误差的微分)

    积分项=ki(积分系数)*(error(k)+...+error(1))(误差和)

    暂时不明白每一项的的用处没关系。接下我们通过实际调试来弄清楚每项的作用。

    代码如下:

    none.gif

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    2019-11-25 17:14 上传

    none.gif

    222.png (45.17 KB, 下载次数: 0)

    2019-11-25 17:14 上传; @; O8 `+ F3 @7 M

    7 C) u5 z; Z! v: ^  g4 a( a! W

    比例项

    这里将kp逐渐增大,可以看到系统达到稳定状态的速度越来越越快了。但是当kp偏大时系统却产生了震荡。

    我们选取系统最佳的响应状态kp=0.5,此时系统响应未出现震荡且响应速度较快。

    6 T7 L) r2 F: Y

    比例控制可以使系统达到稳定,那是不是只用比例控制就可以了呢?

    : d5 }; K1 V% E3 M

    比例控制有个缺点,就是会产生静态误差。静态误差的产生是因为系统有滞后、干扰和非线性,比例作用会即时地成比例地反应控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生,调节器立即产生控制作用以减小偏差。

    但考虑系统偏执,其数学公式是:

    u=kp*e+B

    u是控制器输出

    ' j9 n/ [& h1 @- ukp是比例系数

    : y4 l# m5 V/ p0 L' u, ze是偏差

    ' ?! K4 s( G& g, ]" j2 O  D" [% BB是系统偏置量,系统滞后、干扰和非线性都会影响它。

    举个例子,空调设定为20度,室温为10度,差值为10度,假设系统偏置量B为2,Kp设定为2,按照上述公式,PID控制器输出u为22。等到室温为20度,差值为0度时,由于存在系统偏置B,u还在输出2,而实际上我们想让u=0。这样就造成了有静差。

    要克服静态误差就必须引入积分作用。

    积分项

    左图是在微分系数ki=0,余差B=0.1的状态下得到的系统响应。右图则是当ki=1时,余差B=0.1的状态下得到的系统响应,显然在引入积分项后余差的问题解决了。

    none.gif

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    但是观察右图,你会发现系统响应的出现超调,也称积分饱和。解决积分饱和的办法有很多,比如积分分离法,变速积分法,抗积分饱和机制等。这次我们暂不提,下次再做介绍。

    P和I控制一般是结合在一起使用,他们的目的是消除余差;P起到粗调的作用,I起到细调的作用,直到偏差为零;一般的调节都用PI调节。接下来我们看看D项,D调节其实目的是使控制品质改善。

    微分项

    微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。但是微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强地加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。

    none.gif

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    9.png (213.75 KB, 下载次数: 0)

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    左图是在kp=1.5,ki=1,kd=0的情况下跟踪正弦波的系统响应,可看出跟踪状态不理想,有明显滞后和超调。右图则是在kp=1.5,ki=1,kd=0.01的情况下跟踪正弦波的响应,控制系统状态非常良好。

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  • matlab和simulink设计P、PI、PID控制器,并用ziegler-nichols经验公式整定,有论文,有matlab程序,有simulink模型
  • 基于MATLAB的数字PID控制器设计及仿真分析 基于基于MATLABMATLAB的数字的数字PIDPID控制器设计及仿真分析控制器设计及仿真分析 摘摘 要要 PID控制作为历史最为悠久,生命力最强的控制方式一直在生产过程自动化控制中...

    41528d3028836879cd698677c3999917.gif基于MATLAB的数字PID控制器设计及仿真分析

    基于基于MATLABMATLAB的数字的数字PIDPID控制器设计及仿真分析控制器设计及仿真分析 摘摘 要要 PID控制作为历史最为悠久,生命力最强的控制方式一直在生产过程自动化控制中发挥着巨大的作 用。PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高,被广泛用于过 程控制和运动控制中。数字PID控制算法是将模拟PID离散化而得到的,各参数有着明显的物理意义,而 且调整方便,所以PID控制器很受工程技术人员的喜爱。 本论文主要实现基于MATLAB的数字PID控制器设计及仿真。首先介绍了传统的模拟PID控制方法,包 括比例控制方法、比例积分控制方法、比例积分微分控制方法等。接下来,介绍了数字PID控制。随着 时代的发展,科技的进步,传统的模拟PID控制方法不能满足人们的需求,数字PID控制的改进算法也便 随之而来。本文最后,应用MATLAB软件,在实验的环境下实现了其设计及仿真。 本次毕业设计用来完成数字 PID 控制器的设计,并通过 MATLAB 实现其仿真同时加以分析。通过查 阅文献得知,与传统模拟 PID 控制器相比较,该控制器具有良好的灵活性,而且可得到精确的数学模型。 另外,基于 MATLAB 的数字 PID 控制器设计及仿真,充分的利用了 MATLAB 的实验环境,整个设计验证了 数字 PID 的广泛可实现性及准确性。 关键词关键词:PID 控制;模拟 PID 控制器;数字 PID 控制器;MATLAB 仿真; Design and simulation analysis of Digital PID Controller MATLAB-based Abstract As the most age-old and powerful control mode, PID control always has had a great effect on the automatic control of the production process. PID control is one of the first developed control strategy, because of the simple algorithm, great robust and high reliability, it is widely used in process control and motor control. Digital PID control algorithm is gotten by discreting the analog PID control, and the parameters have obvious physical meaning and facility adjustment, so PID controller is popular with engineering and technical personnel. In the paper, the main idea is to accomplish MATLAB-based digital PID controller design and simulation analysis. In the first place, the traditional analog PID control s is introduced, including proportional control s, proportional integral control and proportional integral differential control. In the second place, the digital PID control s are offered. With the development of the times, the advancement of technology, traditional analog PID control cannot make a satisfaction, then digital PID control is followed. At last,the application of MATLAB software to achieve their design and simulation is easy to accomplish. The graduation project is to complete the digital PID controller design and simulation through MATLAB simulation and analysis. It is known that through the literature, compare with traditional PID controller, the controller has good flexibility and precision of the mathematical models available. In addition, in the number of MATLAB-based PID controller design and simulation, the MATLAB experiment environment is used comprehensively. The entire design is confirmed the wide range and accuracy of digital PID controller. Key words:PID control;analog PID controller;digital PID controller;MATLAB simulatio 目目 录录 摘 要 .I ABSTRACT II 第 1 章 绪论 1 1.1 课题目的及意义1 1.2 数字 PID 控制器的研究现状2 第 2 章 PID 控制器 .3 2.1 传统 PID 控制器概述3 2.2 PID 控制器的基本原理 5 2.2.1 比例(P)调节 6 2.2.2 比例积分(PI)调节 .7 2.2.3 比例积分微分(PID)调节 9 第 3 章 数字 PID 控制器 .13 3.1 数字 PID 控制系统.13 3.2 数字 PID 控制的基本算法.14 3.2.1 位置式 PID 控制算法 14 3.2.2 增量式 PID 控制算法 16 3.2.3 位置算式与增量算式的比较 17 第 4 章 数字 PID 的改进算法 .19 4.1 积分算法的改进.20 4.1.1 积分分离法 21 4.1.2 变速积分法 24 4.1.3 遇限消弱积分法 25 4.1.4 梯形积分法 26 4.2 微分算法的改进.27 4.2.1 不完全微分 PID 控制算法 27 4.2.2 微分先行 PID 控制算法 30 4.3 带死区的

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