单位负反馈系统的PID控制器设计及参数整定.docx
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单位负反馈系统的PID控制器设计及参数整定
计算机控制系统三级项目
单位负反馈系统的PID控制器设计及参数整定
1.PID控制概述1
二.PID控制在液压系统中的应用2
三.课题分析与设计3
PID控制概述
这个理论和应用自动控制的关键是,做出正确的测量和比较后,如何才能更好地纠正系统。
PID(比例-积分-微分)控制器作为最早实用化的控制器
已有70多年历史,现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID
控制器简单易懂,使用中不需精确的系统模型等先决条件,因而成为应用最为广泛的控制器。
PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。
其输入e(t)与输出u(t)的关系为
u(t)=kp[e(t)+1/TI/e(t)dt+TD*de(t)/dt]式中积分
的上下限分别是0和t
因此它的传递函数为:
G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]
其中kp为比例系数;TI为积分时间常数;TD为微分
时间常数。
它由于用途广泛、使用灵活,已有系列化产品,使用中只需设定三个参数(Kp,Ti和Td)即可。
在很多情况下,并不一定需要全部三个单元,可以取其中的一到两个单元,但比例控制单元是必不可少的。
首先,PID应用范围广。
虽然很多工业过程是非线性或时变的,但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统,这样PID就可控制了。
其次,PID参数较易整定。
也就是,PID参数Kp,Ti和
Td可以根据过程的动态特性及时整定。
如果过程的动态特性变化,例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化,PID
参数就可以重新整定。
第三,PID控制器在实践中也不断的得到改进,下面两个改进的例子。
在工厂,总是能看到许多回路都处于手动状态,原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。
由于这些不足,采用PID的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源
浪费等问题的困扰。
PID参数自整定就是为了处理PID参数
整定这个问题而产生的。
现在,自动整定或自身整定的PID
控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。
在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好,但它们仍存在一些问题需要解决:
如果自整定要以模型为基础,为了PID参数的重新整定在线寻找和保持好过程模型是较难的。
闭环工作时,要求在过程中插入一个测试信号。
这个方法会引起扰动,所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。
如果自整定是基于控制律的,经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来,因此受到干扰的影响控制器会产生超调,产生一个不必要的自适应转换。
另外,由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法,参数整定可靠与否存在很多问题。
因此,许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。
自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。
PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时,工作地不是太好。
最重要的是,如果PID控制
器不能控制复杂过程,无论怎么调参数都没用。
虽然有这些缺点,PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。
2.PID控制在液压系统中的应用
由于PID控制器简单易懂,使用中不需精确的系统模型等先决条件,因而成为应用最为广泛的控制器,在工业领域得到广泛应用。
在液压领域,PID控制技术同样得到了广泛应
用。
以液压伺服系统为例,模糊PID控制就得到了充分应用。
传统PID(比例、积分和微分)控制原理简单,使用方便,适应性强,可以广泛应用于各种工业过程控制领域。
但是PID
控制器也存在参数调节需要一定过程,最优参数选取比较麻烦的缺点,对一些系统参数会变化的过程,PID控制就无法
有效地对系统进行在线控制。
不能满足在系统参数发生变化时PID参数随之发生相应改变的要求,严重的影响了控制效果。
本文介绍了基于车载伺服系统的模糊PID控制,它不需
要被控对象的数学模型,能够在线实时修正参数,使控制器适应被控对象参数的任何变化。
并对其进行仿真验证金属加工网,结果表明模糊PID控制使系统的性能得到了明显的改
善。
所谓模糊PID控制器,即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对PID控制的比例、积分、微分系数进行实时优化以达到较为理想的控制效果。
模糊PID控制共包括参数模糊
化、模糊规则推理、参数解模糊、PID控制器等几个重要组
成部分。
计算机根据所设定的输入和反馈信号,计算实际位置和理论位置的偏差e以及当前的偏差变化ec,并根据模糊
规则进行模糊推理,最后对模糊参数进行解模糊,输出PID
控制器的比例、积分、微分系数。
3.课题分析与设计
15
开环传递函数GS二二气,不加入任何控制器的
s'+120s2+100S
情况下,用simulink仿真,其系统原理图如下:
To
—
16
l_l
►vU►
St&pScope
T0
曲线为:
由上图可知,在不加入任何控制器的情况下,系统的反应时间长达35秒左右,灵敏度很差,但没有出现超调量,几乎没有稳态误差。
下图为加入比例环节的系统原理图,
通过调节Kp值的大小,得到一系列曲线:
由上图可知,比例系数Kp对系统稳态特性的影响为:
加大比例控制Kp,在系统稳定的情况下,可以减小稳态误差,提高控制精度,但不能完全消除稳态误差;对动态特性的影响为:
Kp加大使系统的动作灵敏,速度加快,Kp偏大,振荡次数增多,调节时间增长,Kp太大时,系统会趋于不稳定,Kp太小时,又会使系统不稳定。
下图为加入PI控制器时,系统的原理图:
Kp=50时,调节Ti的大小,得到一系列曲线如:
1fTi=D.5
1iT=03
l/MSE
1HMU02
irM-fll
下图为加入PID控制器时,系统的原理图:
由上图可知,积分时间常数Ti对系统的稳态特性的影响为:
可以消除稳态误差,提高系统的控制精度,但Ti太大时,积分作用太弱,以致不能减小稳态误差。
对系统的动态特性的影响为:
会使系统的稳定性下降,Ti太小会使系统不稳定,Ti偏小,会使系统振荡次数增多,Ti太大,贝U对系统的性能影响减小,Ti合适时,系统的过渡特性比较理想。
当Kp=50时,调节Ti,Td,得到若干曲线如下:
此时,无论怎样调节Ti、Td,曲线不是超条狼过大,就是灵敏度太差,始终无法达到系统要求。
之后逐渐增大Kp,调节Ti、Td,当系统参数达到如下图所给时,
便得到了符合要求的曲线,如下图:
阶跃响应曲线的超调量;「%:
:
:
20%,过渡过程时间ts:
:
:
2s
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