基于matlab的pid控制器设计毕业论文正式

基于matlab的pid控制器设计毕业论文正式内容摘要：

数整定方法，使其在初始 化、抗干扰和鲁棒性能方面进一步增强，使用最少量的过程信息及较简单的操作就能较好地完成整定。 ②对于多入多出被控对象，需要研究针对具有显着耦合的多变量过程的多变量 PID 参数整定方法，进一步完善分散继电反馈方法，尽可能减少所需先验信息量，使其易于在线整定。 ［ 4］ ③智能 PID 控制技术有待进一步研究，将自适应、自整定和增益计划设定有机结合，使其具有自动诊断功能；结合专家经验知识、直觉推理逻辑等专家系统思想和方法对原有PID 控制器设计思想及整定方法进行改进；将预测控制、模糊控制和 PID 控制相结合，进一步提高控制 系统性能，都是智能 PID 控制发展的极有前途的方向。 ［ 4］ Matrix Laboratory(缩写为 Mat lab)软件包，是一种功能强、效率高、便于进行科学和工程计算的交互式软件包。 其中包括 :一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并将应用程序和图形集于便于使用的集成环境中。 在此环境下所解问题的 Mat lab 语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程并能够进行高效率和富有创造性的计算，同时提供了与其它高级语言的接口，是科学研究和工程应用必备的工具。 目前，在控制界 、图像信号处理、生物医学工程等领域得到广泛的应用。 本论文设计中 PID 参数的整定用到的是 Mat lab 中的 SIMULINK,它 是一个强大的软件包 ，在液压系统仿真中只需要做数学模型的推导工作。 用 SIMULINK 对设计好的系统进行仿真，可以预知效果，检验设计的正确性，为设计人员提供参考。 其仿真结果是否可用，取决于数学模型正确与否，因此要注意模型的合理及输入系统的参数值要准确。 ［ 8］ 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 5 第二章 控制系统及 PID 调节 控制系统构成 对控制对象的工作状态能进行自动控制的系统称为自动控制系统，一般由 控制器与控制对象组成，控制方式可分为连续控制与 反 馈控制，即一般所称，开回路与闭回路控制。 连续控制系统的输出量对系统的控制作用没有任何影响，也就是说，控制端与控制对象为单向作用，这样的系统亦称开回路系统。 反馈 控制是指将所要求的设定值与系统的输出值做比较，求其偏差量，利用这偏差量将系统输出值使其与设定值调为一致。 反馈 控制系统方块图一般如 图 21 所示 ： 图 21 反馈控制系统方块图 PID 控制 将感测与转换器输出的讯号与设定值做比较，用输出信 号源 (210v 或 420mA)去控制最终控制组件。 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 60 年的历史了，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来 获得系统的参数的时候，便最适合用 PID 控制技术。 比例、积分、微分 1. 比例 比较组件 控制器 被控对象 感测与转换 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 6 R 1R 2V iV o 图 22 比例电路 12)()( RRViVott  )(12)( tt ViRRVo  公式（ 21） 2. 积分器 R 1V iV o1 / S C 图 23 积分电路 SCRS C RRSCViVott 1111111)()(  ViSCRVo t 11 1)(  dtViCRVo t  1)( 1 公 式 （ 22） V oR 21 / S CV I 图 24 微分电路 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 7 3. 微分器 SCRSCRViVott22)()( 1  )(2)( tt SViCRVo  dtdViCRVo t 2)(  (式 23) 实际中也有 PI 和 PD 控制器。 PID 控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计算出控制量，控制器输出和控制器输入（误差）之间的关系在时域中如 公式（ 24）和（ 25） : u(t)=Kp(e(t)+Td dttde)( +  dtteTi )(1 ) 公式 （ 24） U(s)=[ PK + SKi SKd ]E(s) 公式 （ 25） 公式中 U(s)和 E(s)分别为 u(t)和 e(t)的拉氏变换，pdd KKT  ，iPKKTi ，其中 PK 、 iK 、dK 分别为控制器 的比例、积分、微分系数［ 14］ Ｐ 、 Ｉ 、 Ｄ 控制 比例（ P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差讯号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steadystate error）。 积分（ I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差讯号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（ System with Steadystate Error）。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。 积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例 +积分 (PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分（ D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差讯号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是 由于存在有较大惯性的组件（环节）和（或）有滞后 (delay)的组件，使力图克服误差的作用，其变青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 8 化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使克服误差的作用的变化要有些“超前”，即在误差接近零时，克服误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能够提前使克服误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重地冲过头。 所以对有较大惯性和（或）滞后的被控对象，比例 +微 分 (PD)的控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 ［ 12］ 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 9 第三章 系统辨识 系统辨识 (1) 所谓系统辨识即是在不知道系统转移函数时，根据系统特性辨识出来。 (2) 若 被控对象 的数学模式相当线性 (linear)，且各项参数都可知道，则可用控制理论来 设计 PID 控制器的系数大小。 但实际的 被控对象 往往是非线性系统，且系统复杂，难以精确地用数学式表达。 所以工业上设计 PID 控制器时，常常使用实验方法而较少用理论来设计。 调整 PID 控制器的方法中，最有名的是 ZieglerNichols 所提出的二个调整法则。 这个调整法测是基于带有延迟的一阶传递函数模型提出的，这种对象模型可以表示为 1)(  TsKesG Ls 公式（ 31） 在实际的过程控制系统中，有大量的对象模型可以近似的由这样的一阶模型来表示，如果不能物理的建立起系统的模型，我们还可以由实验提取相应的模型参数 [5]。 (3) 将大小为 1 的阶跃信号加到 被控对象如 图 31 所示： 图 31 将 阶跃 信号加到 被控对象 对大多数的 被控对象 ，若输入为阶跃信号，则其输出 c(t)大多 为 S 状曲线，如下图 32所示。 这个 S 状曲线称之为过程反应曲线（ process reaction curve）。 L0 . 6 3 2 kkT ’T ”Tc ( t ) 图 32被控对象的阶跃响应图 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 10 (4) 系统转移函数 空调方面： 图 33空调系统示意图 图 34 空调系统方块图 由图 33 及图 34 可得知此系统的转移函数推导如下： QcQoQ  dtdTCRTQ  CSTRTQ  11  SRR CSRQT  公式（ 32） 系统特性图 (1) 系统为制热 使用最大信号去控制系统，直到稳定之后，也就是热到达无法再上升时，此时系统特性就会出现，如下图 35 所示： 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 11 1 0 ℃5 0 ℃ 图 35 系统制热的特性图 (2) 系统为制冷 使用最大信号去控制系统，直到稳定之后，也就是冷到达无法再下降时，此时系统特性就会出现，如下图 36 所 示： 1 0 ℃3 0 ℃ 1 0 ℃3 0 ℃ 图 36 系统制冷的特性图 系统辨识方法 （ 1）一阶系统带有延迟特性 L0 . 6 3 2 kkaT ’T ”TC ( t ) 图 37 一 阶系统带有延迟特性图 此切线为最大斜率 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 12 一阶系统1TsK加一个传递 lse 来近似 被控对象 ，则其近似转移函数如 公式 33 所 示： 1)(  TsKesG Ls 公式（ 33） 其中 K、 T、 L 可由上图 37 求得。 K： 稳态时的大小。 T:时间常数。 ※注：系统越大，时间常数越大。 L： 延迟时间。 (2) K、 T、 L 的求法： K：如上 图 所示， K 值相当于 C(t)在稳态时的大小。 T 与 L：求 T 及 L 必须在 S 形状曲线划一条切线 (最大斜率 )，画出切线之后， T 及 L 值 可以直接从图上得知。 T 及 L 值与 C(t)及切线的关系如上 图 37 所示。 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 13 第四章 PID 最佳调整法与系统仿真 PID 参数整定法概述 参数整定方法 （ 1） Relay feedback ： 利用 Relay 的 onoff 控制方式，让系统产生一定的周期震荡，再用 ZieglerNichols 调 整法则去把 PID 值。