基于MATLAB的PID控制器设计报告.doc

MATLAB论文
--基于控制系统的PID调节

基于MATLAB的PID 控制器
摘要：本论文主要研究PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器 (至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本论文主要介绍PID的原理及简单的用法，探究控制器中各个参数对系统的影响，就是利用《自动控制原理》和《MATLAB》所学的内容利用简单的方法研究PID控制器的设计方法，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。
关键字：PID控制简介 PID控制器原理 MATLAB仿真 PID参数的设定
正文：
一、PID控制简介
PID控制器又称PID调节器，是工业过程控制系统中常用的有源校正装置。长期以来，工业过程控制系统中多采用气动式PID控制器。由于气动组件维修方便，使用安全可靠，因此在某些特殊场合，例如爆炸式环境，仍然使用气动式PID控制器。随着运算放大器的发展和集成电路可靠性的日益提高，电子式PID控制器已逐渐取代了气动式PID控制器。目前，已在开发微处理器PID控制器。这里，仅简要介绍PID控制器的主要特性。
PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值与实际输出值构成的控制偏差： =－
将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，故称为PID调节器。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P、I、D基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。例如，P调节器，PI调节器，PID调节器等。
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。
二、原理分析与说明
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) 的关系为公式（1-1）
公式（1-1）因此它的传递函数为公式（1-2）
公式（1-2）

比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。
微分调节作用：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。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,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。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。
PID控制器由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（ Kp ，  Ki 和 Kd ）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。虽然很多控制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，Ki和Kd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。
比例、积分、微分
1. 比例

图2-2 比例电路

公式（2-1）
2. 积分器

图2-3 积分电路

公式（2-2）

图2-4微分电路
3. 微分器

(式2-3)
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（2-4）和（2-5）:
u(t)=Kp(e(t)+Td+) 公式（2-4）
U(s)=[+]E(s) 公式（2-5）
公式中U(s)和E(s)分别为u(t)和e(t)的拉氏变换，，，其中、、分别为控制器的比例、积分、微分系数
三、传递函数
1、传递函数
2、传递函数性能分析
（1）稳定性分析
>>num=[8];
den=[2 15 27 10];
G=tf(num,den)
Transfer function:
8
--------------------------
2 s^3 + 15 s^2 + 27 s + 10

>> pzmap(G)

（2）未接入PID 的阶跃响应曲线

四、在MATLAB下实现PID控制器的设计与仿真
1、参数计算
（1）>> num=[8];
>> den=conv([1 5],conv([1 2],[2 1]));
>> G=tf(num,den);
>> step(G,15);
>> step(G,100);
>> step(G,50);

k=dcgain(num,den)

k =

0.8000

由图可知，取L=0.614 T=3.186。于读图存在误差，因此参数仍需整定。
2、设计PID控制器
（1）已知对象的K、L 和T 值后,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。
>> 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
K=0.8000;L=0.614;T=3.168;[num,den,Kp,Ti,Td]=Ziegler_std (3,[K,L,T])
num =

2.3895 7.7834 12.676
den =
1 0
Kp =
7.7834
Ti =
1.2280
Td =
0.3070
（2）动态仿真集成环境 Simulink下构造系统模型

由图可以看出，经过调节参数之后超调量明显减小，响应曲线平滑，调节时间理想，较符合设计要求。
五、例题实验
PID的调节实例
已知传递函数，其PID控制模型如下：

其中PID模块如下：

用整定PID调节器的参数，使系统的超调量小于20%，并求其动态性能指标。
解：利用整定公式整定PID调节器的初始参数；

KP
TI
TD
P

PI
0.9
3.3

PID
1.2
2.2
0.5
根据题目已知，T=50,K=22, =20,可求得PID参数如下：

KP
TI
TD
P
0.1136

PI
0.1023
66

PID
0.1364
44
10
利用此时的PID参数，得到的响应如下：

（4）对PID参数进行微调，使性能指标满足系统要求。

KP
TI
TD
P
0.1136

PI
0.1023
66

PID
0.1
65
7
利用此时的PID参数，得到的响应如下：

六、心得体会
半学期的MATLAB课程结束了，我们学到了很多，总体来说这次的论文并不是特别容易，我选择写有关PID的应用，虽然我们在《自动控制原理》课堂上学到了不少关于PID的有用的知识，可真正用起来就发现自己真的的太少，问题太多。我到图书馆来找过资料，也上网查了不少资料，在查找和阅读的过程中真的学到不少的知识。当然，在做自动控制原理作业的时候我遇到了不少问题，在准备论文的时候进行MATLAB仿真时不知道参数怎么设置，在和周围同学的探讨中我们找到了答案，大家共同进步。真正做到了学有致用。通过论文让我们更加深刻的体会到实践很重要性，平时我们多是学习理论知识，上机实践时也是验证例题，自己也少练习，在实践方面确实欠缺不少，需要我们今后加强练习。
通过这次实习，我知道了任何事都要靠自己，只有自己的知识才是真正的知识，这让我在以后的工作生活中有了更好的动力！感谢老师的耐心指导和悉心教导！
七、参考资料
1、胡寿松《自动控制原理》科学出版社
2、李国勇主编《计算机仿真技术与CAD——基于MATLAB的控制系统》电子工业出版社其中专业理论知识内容包括：保安理论知识、消防业务知识、职业道德、法律常识、保安礼仪、救护知识。作技能训练内容包括：岗位操作指引、勤务技能、消防技能、军事技能。
二．培训的及要求培训目的
安全生产目标责任书
为了进一步落实安全生产责任制，做到“责、权、利”相结合，根据我公司2015年度安全生产目标的内容，现与财务部签订如下安全生产目标：
一、目标值：
1、全年人身死亡事故为零，重伤事故为零，轻伤人数为零。
2、现金安全保管，不发生盗窃事故。
3、每月足额提取安全生产费用，保障安全生产投入资金的到位。
4、安全培训合格率为100%。
二、本单位安全工作上必须做到以下内容：
1、对本单位的安全生产负直接领导责任，必须模范遵守公司的各项安全管理制度，不发布与公司安全管理制度相抵触的指令，严格履行本人的安全职责，确保安全责任制在本单位全面落实，并全力支持安全工作。
2、保证公司各项安全管理制度和管理办法在本单位内全面实施，并自觉接受公司安全部门的监督和管理。
3、在确保安全的前提下组织生产，始终把安全工作放在首位，当“安全与交货期、质量”发生矛盾时，坚持安全第一的原则。
4、参加生产碰头会时，首先汇报本单位的安全生产情况和安全问题落实情况；在安排本单位生产任务时，必须安排安全工作内容，并写入记录。
5、在公司及政府的安全检查中杜绝各类违章现象。
6、组织本部门积极参加安全检查，做到有检查、有整改，记录全。
7、以身作则，不违章指挥、不违章操作。对发现的各类违章现象负有查禁的责任，同时要予以查处。
8、虚心接受员工提出的问题，杜绝不接受或盲目指挥；
9、发生事故，应立即报告主管领导，按照“四不放过”的原则召开事故分析会，提出整改措施和对责任者的处理意见，并填写事故登记表，严禁隐瞒不报或降低对责任者的处罚标准。
10、必须按规定对单位员工进行培训和新员工上岗教育；
11、严格执行公司安全生产十六项禁令，保证本单位所有人员不违章作业。
三、 安全奖惩：
1、对于全年实现安全目标的按照公司生产现场管理规定和工作说明书进行考核奖励；对于未实现安全目标的按照公司规定进行处罚。
2、每月接受主管领导指派人员对安全生产责任状的落
其中专业理论知识内容包括：保安理论知识、消防业务知识、职业道德、法律常识、保安礼仪、救护知识。作技能训练内容包括：岗位操作指引、勤务技能、消防技能、军事技能。
二．培训的及要求培训目的
安全生产目标责任书
为了进一步落实安全生产责任制，做到“责、权、利”相结合，根据我公司2015年度安全生产目标的内容，现与财务部签订如下安全生产目标：
一、目标值：
1、全年人身死亡事故为零，重伤事故为零，轻伤人数为零。
2、现金安全保管，不发生盗窃事故。
3、每月足额提取安全生产费用，保障安全生产投入资金的到位。
4、安全培训合格率为100%。
二、本单位安全工作上必须做到以下内容：
1、对本单位的安全生产负直接领导责任，必须模范遵守公司的各项安全管理制度，不发布与公司安全管理制度相抵触的指令，严格履行本人的安全职责，确保安全责任制在本单位全面落实，并全力支持安全工作。
2、保证公司各项安全管理制度和管理办法在本单位内全面实施，并自觉接受公司安全部门的监督和管理。
3、在确保安全的前提下组织生产，始终把安全工作放在首位，当“安全与交货期、质量”发生矛盾时，坚持安全第一的原则。
4、参加生产碰头会时，首先汇报本单位的安全生产情况和安全问题落实情况；在安排本单位生产任务时，必须安排安全工作内容，并写入记录。
5、在公司及政府的安全检查中杜绝各类违章现象。
6、组织本部门积极参加安全检查，做到有检查、有整改，记录全。
7、以身作则，不违章指挥、不违章操作。对发现的各类违章现象负有查禁的责任，同时要予以查处。
8、虚心接受员工提出的问题，杜绝不接受或盲目指挥；
9、发生事故，应立即报告主管领导，按照“四不放过”的原则召开事故分析会，提出整改措施和对责任者的处理意见，并填写事故登记表，严禁隐瞒不报或降低对责任者的处罚标准。
10、必须按规定对单位员工进行培训和新员工上岗教育；
11、严格执行公司安全生产十六项禁令，保证本单位所有人员不违章作业。
三、 安全奖惩：
1、对于全年实现安全目标的按照公司生产现场管理规定和工作说明书进行考核奖励；对于未实现安全目标的按照公司规定进行处罚。
2、每月接受主管领导指派人员对安全生产责任状的落