PID控制器参数整定设计Word格式文档下载.docx
- 文档编号:15352048
- 上传时间:2022-10-29
- 格式:DOCX
- 页数:18
- 大小:143.68KB
PID控制器参数整定设计Word格式文档下载.docx
《PID控制器参数整定设计Word格式文档下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《PID控制器参数整定设计Word格式文档下载.docx(18页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
控制系统的性能指标通常包括稳态和动态两个方面.稳态性能指标是指系统的稳态误差,它表征系统的控制精度。
动态性能指标表片系统瞬态响应的品质。
为使系统能同时满足动态和稳态性能指标的要求,就需要在系统中引入一个专门用于改善性能的附加装置,这个附加装置就是校正装置。
当控制系的开环增益增大到满足其稳定性态性能所要求的数值时,系统有可能为不稳定,或者即使能稳定性定,其动态性能一般也不会满足设计要求,为此需要在系统的前向通首中加一个超前校正装置,以实现在开环增益不变的前提下,使系统的动态性能也能满足设计的要求.当系统的动态性能满足要求,而其稳定性态性能不好时,就要求所加的校正装置要使系统的开环增益有较大的增大,使系统的动态性能不发生明显的变化,因此要加入滞后校正装置。
若要将两种校正结合起来应用,必然会同时改善系统的动态和稳态性能,这就是滞后——超前校正。
而PID控制器能够满足这两方面的要求,但根据系统性能指标的要求,正确地调整PID的三个参数是非常重要的.本次设计就主要围绕调节PID的参数进行。
2总体方案设计
对系统进行PID控制的设定,当系统的被控对象很复杂时,难以用解析法建立数学模型,可用Z——N法去调整PID控制器的参数,非常实用,有效和方便.Z—-N法有两种实施的办法,共同的目标是使被控系统的阶跃响应具有25%的超调量。
于是就有了下面两种方案。
2。
1方案设计
方案一:
这种方案是先假设Ti为无穷大,Td=0,即只有比例控制Kp。
具体的做法是:
将比例系数Kp值由零逐渐增大到系统的输出首次呈现持续的等幅振荡,此时对应的Kp值为临界增益,用Kc表示,并记下振荡的周期Tc,对于这种情况,齐格勒和尼可尔斯提出公式,以确定相应PID控制器的参数Kp、Ti、和Td的值。
其传递函数也是一个极点在坐标原点,两个零点均位于处。
Kp
对象
r(t)
E(t)
C(t)
M(t)
图2.1方案一方框图
PID调节器:
Kp=0。
6Kc,Ti=0。
5Tc,Td=0。
125Tc
表2。
1Z—N第二法的参数表
控制器的类型
Kp
Ti
Td
P
0.5kc
∞
PI
0。
45kc
1/1.2Tc
PID
0.6Kc
0.5Tc
0。
方案二:
在对象的输入端加一单位阶跃信号,测量其输出响应曲线.如果被测的对象中既无积分环节,又无复数主导极点,则相应的阶跃响应曲线可视为是S形曲线。
这种曲线的特征可用滞后时间τ和时间常数T来表征。
通过S形曲线的转折点作切线,使之分别与时间坐标轴和c(t)=K的直线相交,由所得的两个交点确定延滞时间τ和时间常数T.具有S形阶跃响应曲线的对象,其PID控制器的传递函数为:
这种PID控制器有一个极点在坐标原点,二个零点都在S=-处.
表2。
2Z-N第一法的参数表
9
1。
2
2τ
0.5τ
2方案论证
方法一临界比例法简单并且是闭环,使用起来比第二种方案范围要大点。
第二种响应曲线法有一个缺点就是必须要S型的响应曲线,并且第二种方案是开环的,容易受到干扰,使得PID控制不准确。
3方案选择
通过分析题目和课程设计要求,我认为选择第一种方案更为简单和准确,因为第二种方案的要求(S型曲线)题目可能不能达到。
还需要花时间证明是否是S型曲线。
所以比起方案一要复杂的多,耗费的时间也更多,所以我选用方案一来完成本次课程设计.
3单元模块设计
3.1对系统性能指标进行分析
由设计要求可以得知,系统是在受到阶跃信号后产生相应的,由Matlab的simulink进行了仿真图的搭建,如图3。
1所示:
图3。
1校正前连线图
在matlab操作环境中键入以下程序,会得到系统的阶跃响应的曲线图和伯德图,图3。
2为matlab绘制的其闭环传递函数的单位阶跃响应曲线,图3。
3为matlab绘制的其闭环传递函数的伯德图。
g1=tf(9.9,[1201]);
g2=tf(0。
107,[101]);
tau1=80;
[np,dp]=pade(tau1,2);
gp=tf(np,dp);
g=g1*gp;
close=g/(1+g*g2)
step(close)
bode(close)
根据图上的信息可以得于如表3。
1所示的原系统性能指标如下所示:
超调量σ%==(6。
08-4。
82)/4.82=26。
1%
上升时间Tr
峰值时间Tp
调整时间Ts
波形峰值
波形稳定值
159s
222s
325s
6。
08v
4.82v
表3。
1原系统性能指标
图3.2原系统闭环传递函数的单位阶跃响应曲线
图3。
3原系统闭环传递函数的伯德图
由阶跃信号经过了闭环控制系统,最后由Scope来观察波形,点击上方的运行按钮之后再双击Scope就弹出了如图3.4所示的波形.从图上可以看出,由matlab的step函数绘制的系统单位阶跃函数曲线和示波器上显示的图形是一样的。
4Scope输出波形
系统的动态性能指标,远不能满足设计的要求,静态误差也不能满足要求。
这是就需要运用校正电路来弥补这些差别的存在。
3.2PID控制器的工作原理
PID校正装置(又称PID控制器或PID调节器)是一种有源校正装置,它是最早发展起来的控制策略之一,在工业过程控制中有着最广泛的应用,其实现方式有电气式、气动式和液力式.与无源校正装置相比,它具有结构简单、参数易于整定、应用面广等特点,设计的控制对象可以有精确模型,并可以是黑箱或灰箱系统。
4为它的控制结构框图,典型PID为滞后-超前校正装置。
4PID校正系统
由图可见,PID控制器是通加对误差信号e(t)进行比例、积分和微分运算,其结果的加权,得到控制器的输出u(t),该值就是控制对象的控制值。
PID控制器的数学描述为:
式中u(t)为控制输入,e(t)=r(t)-c(t)为误差信号,r(t)为输入量,c(t)为输出量.
在PID控制器中,错误信号(受控系统期望的温度与实际温度之间的差值)在加到温度控制电源驱动电路之前先分别以三种方式(比例、积分和微分)被放大。
比例增益向错误信号提供瞬时响应。
积分增益求出错误信号的积分,并将错误减低到接近零的水平。
积分增益还有助于过滤掉实测温度信号中的噪音.微分增益使驱动依赖于实测温度的变化率,正确运用微分增益能缩短响应定位点改变或其它干扰所需的稳定时间。
然而,在许多情况下,比例积分(PI:
Proportional-Integral,没有微分增益)控制策略也可以产生满足要求的结果,而且通常要比完全的PID控制器更容易调整到稳定的运行状态,并获得符合要求的稳定时间。
PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题,既系统的稳定性、快速性和准确性。
调节PID的参数,可实现在系统稳定的前提下,兼顾系统的带载能力和抗扰能力,同时,在PID调节器中引入积分项,系统增加了一个零积点,使之成为一阶或一阶以上的系统,这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。
综合前面所述,PID控制器是一种有源的迟后-超前校正装置,且在实际控制系统中有着最广泛的应用。
当系统模型已知时,可采用迟后-超前校正的设计方法。
若系统模块未知或不准确,则可后述方法进行设计.
3.3P,I和D控制器的连接
3.3.1P控制器
图3.5P控制器的连接图
在K取35时,运行此P控制器得的仿真波形图如下:
图3.6P控制器得的仿真波形图
比例调节器对所有频率信号控制作用强度相同,它的特点是迅速,有残差。
增大比例P将加快系统的响应,其作用是放大误差的幅值,它能快速影响系统的控制输出值,但仅靠比例系数的作用,系统不能很好地稳定在一个理想的数值,其结果是虽较能有效地克服扰动的景响,但有稳态误差出现,过大的比例系数还会使系数出现较大的超调并产生振荡,使稳定性变差。
3.3.2I控制器
7I控制器的连接图
在=0.0062时,运行此P控制器得的仿真波形图如下:
8I控制器得的仿真波形图
I控制器的特点是调节时间较大,无残差。
对于一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差劲,则称这个控制系统为有差系统,为了消除稳态误差,在控制器中必须引入积分项.积分项对误差的作用取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大,这样,即便是误差很小,积分项也会随着时间的增加面加大,它推动控制器的输出向稳态误差减小的方向变化,直到稳态误差为零.
3。
3.3D控制器
图3.9D控制器的连接图
在Td=37时,运行此D控制器得的仿真波形图如下:
10D控制器得的仿真波形图
D控制器的特点是迅速并且超前。
微分具有超前作用,在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。
微分项能预测误差变化的趋势,从面做到提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从面避免了被害人控量的严重超调,改善了系统在调节过程中的动态特性。
3.4校正电路的连接
如上提到的,需要一个校正电路来进行校正才能够满足要求,这里就用到了PID控制器来进行校正,校正的装置电路如图3.5所示
图3.11PID控制器
系统采用了比例(增益)因子、微分因子、积分因子模块来作为校正环节,其参数还需要进行设置才能够满足.
3.5设定校正系统的参数
5.1确定Kp
根据方案一的要求,先确定Kp。
去掉PID的积分项和微分项,一般是令Ti=0、Td=0,使PID为纯比例调节。
由0逐渐加大比例增益P,直至系统出现振荡时确定下Kp的值。
运用Matlab进行仿真,选择合适的参数。
当K=2时,在matlab操作环境中键入以下程序即可得到K=2时,系统的阶跃响应曲线如图3。
6所
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- PID 控制器 参数 设计