1、單位負反饋系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計及參數(shù)整定目錄一PID控制概述及研究現(xiàn)狀1二PID控制在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用 2三項目分析與PID參數(shù)整定設(shè)計3一 PID控制概述及研究現(xiàn)狀：這個理論和應(yīng)用自動控制的關(guān)鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。 PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實用化的控制器已有70多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。 PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。其輸入e (t）與輸出u (t）的關(guān)系為 u(t)=kpe(t)+1/TIe(t)dt

2、+TD*de(t)/dt 式中積分的上下限分別是0和t 因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)=U(s)/E(s)=kp1+1/(TI*s)+TD*s 其中kp為比例系數(shù)； TI為積分時間常數(shù)； TD為微分時間常數(shù)。 它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（Kp， Ti和Td）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。 首先，PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。 其次，PID參數(shù)較易整定。也就是，PID參數(shù)Kp，Ti和Td可

3、以根據(jù)過程的動態(tài)特性及時整定。如果過程的動態(tài)特性變化，例如可能由負載的變化引起系統(tǒng)動態(tài)特性變化，PID參數(shù)就可以重新整定。 第三，PID控制器在實踐中也不斷的得到改進，下面兩個改進的例子。 在工廠，總是能看到許多回路都處于手動狀態(tài)，原因是很難讓過程在“自動”模式下平穩(wěn)工作。由于這些不足，采用PID的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質(zhì)量、安全、產(chǎn)量和能源浪費等問題的困擾。PID參數(shù)自整定就是為了處理PID參數(shù)整定這個問題而產(chǎn)生的?，F(xiàn)在，自動整定或自身整定的PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個標準。 在一些情況下針對特定的系統(tǒng)設(shè)計的PID控制器控制得很好，但它們?nèi)源嬖谝恍﹩栴}需要解決： 如果

4、自整定要以模型為基礎(chǔ)，為了PID參數(shù)的重新整定在線尋找和保持好過程模型是較難的。閉環(huán)工作時，要求在過程中插入一個測試信號。這個方法會引起擾動，所以基于模型的PID參數(shù)自整定在工業(yè)應(yīng)用不是太好。 如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來，因此受到干擾的影響控制器會產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。 因此，許多自身整定參數(shù)的PID控制器經(jīng)常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動整定通常是指根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計算PID參數(shù)。 PID在控制

5、非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時，工作地不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復(fù)雜過程，無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。 雖然有這些缺點，PID控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器。二 PID控制在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用由于PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在液壓領(lǐng)域，PID控制技術(shù)同樣得到了廣泛應(yīng)用。以液壓伺服系統(tǒng)為例，模糊PID控制就得到了充分應(yīng)用。傳統(tǒng)PID（比例、積分和微分）控制原理簡單，使用方便，適應(yīng)性強，可以廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制領(lǐng)域。但是PID控制器也存在參數(shù)調(diào)節(jié)需要一定過程，最優(yōu)參數(shù)選取比

6、較麻煩的缺點，對一些系統(tǒng)參數(shù)會變化的過程，PID控制就無法有效地對系統(tǒng)進行在線控制。不能滿足在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時PID參數(shù)隨之發(fā)生相應(yīng)改變的要求，嚴重的影響了控制效果。本文介紹了基于車載伺服系統(tǒng)的模糊PID控制，它不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型，能夠在線實時修正參數(shù)，使控制器適應(yīng)被控對象參數(shù)的任何變化。并對其進行仿真驗證金屬加工網(wǎng)，結(jié)果表明模糊PID控制使系統(tǒng)的性能得到了明顯的改善。所謂模糊PID控制器,即利用模糊邏輯算法并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對PID控制的比例、積分、微分系數(shù)進行實時優(yōu)化,以達到較為理想的控制效果。模糊PID控制共包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等幾個重要組成部

7、分。計算機根據(jù)所設(shè)定的輸入和反饋信號，計算實際位置和理論位置的偏差e以及當前的偏差變化ec，并根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理，最后對模糊參數(shù)進行解模糊，輸出PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。三 項目分析與PID參數(shù)整定設(shè)計3.1項目分析開環(huán)傳遞函數(shù)，在不加入任何控制器的情況下，對于給定的單位階躍輸入信號的作用下，通過Simulink進行輸出曲線仿真，其系統(tǒng)框架原理圖如下：輸出響應(yīng)曲線為：由上圖可知，在不加入任何控制器的情況下，系統(tǒng)的反應(yīng)時間長達35秒左右，靈敏度很差（響應(yīng)慢），但沒有出現(xiàn)超調(diào)量，幾乎沒有穩(wěn)態(tài)誤差。3.2PID參數(shù)整定：3.2.1比例系數(shù)Kp對系統(tǒng)的影響：通過設(shè)置積分系數(shù)和微分系數(shù)為

8、零，調(diào)節(jié)不同Kp值的大小，得到一系列曲線如下圖：由上圖可知：不同比例系數(shù)Kp對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的影響為：加大比例控制Kp，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差；不同比例系數(shù)Kp對動態(tài)特性的影響為：Kp加大使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快。Kp偏大時，振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時間增長。Kp太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定，Kp太小時，又會使系統(tǒng)動作緩慢。 3.2.2比例系數(shù)Kp對系統(tǒng)的影響： 通過只設(shè)置微分系數(shù)為零，在Kp=50的前提下，調(diào)定不同的積分系數(shù)，即加入PI控制器時， 得到一系列曲線如：由上圖可知，（1）積分常數(shù)Ki對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性的影響為：可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。（2）對系統(tǒng)的動態(tài)特性的影響為：會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ti太小會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，Ti偏小，會使系統(tǒng)