1、.1. - - . 可修編-學(xué)校代碼：10904學(xué) 士 學(xué) 位 論 文雞蛋破損檢測系統(tǒng)姓 名：詣學(xué) 號(hào)：2指導(dǎo)教師：業(yè)偉學(xué) 院：機(jī)電工程學(xué)院專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化完成日期：2021 年4月26日.1學(xué) 士 學(xué) 位 論 文基于MATLAB的PID控制算法的研究姓 名：學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：學(xué) 院：專 業(yè)：完成日期：.1.1 . 可修編-摘 要PID控制是一種便捷、穩(wěn)定、直觀的控制方式，它因?yàn)樵砗唵?、控制效果好、?yīng)用對(duì)象廣、并且易于實(shí)現(xiàn)而被廣泛地應(yīng)用于工程控制以及工業(yè)實(shí)踐當(dāng)中，也是迄今為止應(yīng)用最為理想的一種控制方式。當(dāng)被控對(duì)象的構(gòu)造和參數(shù)不能完全掌握，或得不到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其他

2、技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的構(gòu)造和參數(shù)必須依靠經(jīng)歷和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。本文在詳盡闡述PID控制的根本原理和開展現(xiàn)狀的根底上，對(duì)PID控制算法進(jìn)展了深入的分析和研究，對(duì)幾種PID控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)展了比較，改進(jìn)了傳統(tǒng)的PID控制算法，進(jìn)展了PID控制參數(shù)整定，通過MATLAB/Simulink仿真直觀的顯示控制效果，進(jìn)一步比較分析，針對(duì)具體對(duì)象選擇更加適宜的控制算法，為PID控制在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用提供了行之有效的計(jì)算方法，大大節(jié)約了物資人力，提高了系統(tǒng)的工作效

3、率。關(guān)鍵詞：PID；控制算法；MATLAB/Simulink；仿真；參數(shù)整定.1ABSTRACT The control of PID is a kind of convenient, stable and intuitive control mode, it is because of simple principle, good control effect, wide application object, and is easy to implement and widely used in engineering control and industrial practice, It

4、 is the most ideal one way to control by far. When the structure and parameters of the controlled object is not be fully grasped, or not be a precise mathematical model, the control theory of other technology is difficult to use, the structure and parameters of system controller must depend on e*per

5、ience and on-site missioning to determine, then the application of PID control technology is the most convenient. When we dont fully understand a system and the controlled object, or cannot obtain system parameters through effective measures, It is most suitable for PID control technology.Detailed i

6、n this paper, the PID control is presented on the basis of the basic principle and development present situation, the PID control algorithm is carried on the thorough analysis and research, pares the advantages and disadvantages of several kinds of PID control algorithm, and improved the traditional

7、 PID control algorithm, through the MATLAB/Simulink intuitive display control effect, and further parative analysis, in view of the concrete object to choose more appropriate control algorithm, for PID control is widely used in practical engineering provides a effective calculation method, greatly s

8、aves materials for human, improve the work efficiency of the system.Key words: PID; Control algorithm; MATLAB/Simulink; The simulation;Parameter setting.1目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc3232 第1章 緒論 PAGEREF _Toc3232 1 HYPERLINK l _Toc1857 1.1 PID控制研究的開展和現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc1857 1 HYPERLINK l _Toc23112 1.

9、2設(shè)計(jì)目的和意義 PAGEREF _Toc23112 1 HYPERLINK l _Toc8482 1.3設(shè)計(jì)的主要任務(wù) PAGEREF _Toc8482 2 HYPERLINK l _Toc12977 第2章 PID控制算法 PAGEREF _Toc12977 3 HYPERLINK l _Toc6620 2.1 PID控制原理 PAGEREF _Toc6620 3 HYPERLINK l _Toc26182 2.2數(shù)字PID控制算法 PAGEREF _Toc26182 4 HYPERLINK l _Toc15091 2.2.1 PID控制離散化 PAGEREF _Toc15091 4 HY

10、PERLINK l _Toc4122 位置式PID控制算法 PAGEREF _Toc4122 5 HYPERLINK l _Toc21581 增量式PID控制算法 PAGEREF _Toc21581 6 HYPERLINK l _Toc17709 2.2.4 位置式與增量式PID控制算法優(yōu)缺點(diǎn)比較 PAGEREF _Toc17709 6 HYPERLINK l _Toc24784 2.3 改進(jìn)型PID控制算法 PAGEREF _Toc24784 7 HYPERLINK l _Toc3857 積分項(xiàng)的改進(jìn) PAGEREF _Toc3857 7 HYPERLINK l _Toc23810 微分項(xiàng)的

11、改進(jìn) PAGEREF _Toc23810 8 HYPERLINK l _Toc5251 第3章 PID參數(shù)整定及仿真 PAGEREF _Toc5251 11 HYPERLINK l _Toc18358 3.1 PID參數(shù)整定的定義 PAGEREF _Toc18358 11 HYPERLINK l _Toc10221 3.2 PID參數(shù)整定方法 PAGEREF _Toc10221 11 HYPERLINK l _Toc17668 3.3 PID參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響 PAGEREF _Toc17668 14 HYPERLINK l _Toc29432 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc29432

12、 21 HYPERLINK l _Toc24097 致 PAGEREF _Toc24097 22 HYPERLINK l _Toc28555 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc28555 23.1第1章 緒論1.1 PID控制研究的開展和現(xiàn)狀PID控制器起源并開展于二十世紀(jì)初，經(jīng)過50多年的努力取得了頗為豐碩的成果。1932年移民美國的奈奎斯特采用圖形的方法來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，1936年英國的ACallender和AStevenson等人給出了PID控制器的方法。二十世紀(jì)40年代，美國泰勒儀器公司的Zieiger和Nichols等人用實(shí)驗(yàn)的方法分別研究了在開、閉環(huán)情況下，比例、積分、微分在控制

13、環(huán)節(jié)中的作用，首次提出了PID控制參數(shù)整定。日本Inoue提出的應(yīng)用于伺服重復(fù)軌跡的高精度控制的重復(fù)控制，它是基于模原理，偏差重復(fù)利用，既可跟蹤周期性輸入信號(hào)，又能抑制周期性干擾?；诠I(yè)控制中被控對(duì)象的純滯后性，在有確切被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的前提下，Smith提出的純滯后補(bǔ)償模型有很好的控制效果。即在PID控制器后反向并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，該補(bǔ)償環(huán)節(jié)稱為預(yù)估器?？柭岢龅臑V波理論，即采用時(shí)域上的遞推算法在計(jì)算機(jī)上進(jìn)展濾波處理，對(duì)控制干擾以及測量噪聲具有很好的濾波作用。美國Michigan大學(xué)Holland教授的遺傳算法，將生物學(xué)上優(yōu)勝劣汰、適者生存的的進(jìn)化理論引入到優(yōu)化參數(shù)當(dāng)中，按照選擇的適配值

14、函數(shù)通過遺傳中的復(fù)制、穿插以及變異對(duì)個(gè)體進(jìn)展篩選，保存適配值高的個(gè)體，組成優(yōu)于上一代的新群體，如此周而復(fù)始從而得到需求值。這種算法簡單而且可并行處理。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷開展，現(xiàn)代工業(yè)的需求不斷增加，系統(tǒng)構(gòu)造的越來越復(fù)雜，對(duì)PID控制的要求也越來越高，這也使得PID控制必然會(huì)向高智能、高精度以及高端化方向開展。1.2設(shè)計(jì)目的和意義PID控制是最早應(yīng)用于工業(yè)工程實(shí)踐當(dāng)中的控制方式，迄今已有70多年的歷史。PID控制的含義是：將經(jīng)過反響后得到的偏差信號(hào)分別進(jìn)展比例、積分、微分運(yùn)算，將運(yùn)算的結(jié)果疊加后得到控制器的輸出信號(hào)。因其原理簡單、穩(wěn)定性高、調(diào)整方便、適用圍廣、控制效果強(qiáng)等一系列優(yōu)勢(shì)成為了工業(yè)生產(chǎn)

15、當(dāng)中最常用，也是最廣泛的一種控制方式。尤其適用于能夠建立數(shù)學(xué)模型的自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中。自1940年以來，PID控制技術(shù)就被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、電力、冶金等工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。在科學(xué)技術(shù)飛速開展的現(xiàn)在，工業(yè)自動(dòng)化的水平儼然已經(jīng)成為了衡量一個(gè)國家各個(gè)領(lǐng)域現(xiàn)代化的重要標(biāo)準(zhǔn)。PID控制是一種閉環(huán)控制，PID控制算法選擇的不同，也使得控制系統(tǒng)所得到的結(jié)果不同，而系統(tǒng)的閉環(huán)特性很大程度上取決于PID控制器的性能。因此，控制系統(tǒng)的最終性能取決于PID參數(shù)的調(diào)節(jié)和優(yōu)化，而這也正是研究PID控制的意義所在。從實(shí)際需求出發(fā)，通過MATLAB/Simulink對(duì)PID控制算法進(jìn)展仿真研究，相比之下得到一種行之有效的控制算

16、法，不僅可以節(jié)省大量的人力物力，同時(shí)也能使系統(tǒng)到達(dá)一個(gè)最正確的工作狀態(tài)，延長機(jī)器的使用壽命，從而提高工業(yè)生產(chǎn)的效率，對(duì)現(xiàn)實(shí)需求具有重要的意義。1.3設(shè)計(jì)的主要任務(wù)首先，了解PID控制的原理和方法，并學(xué)習(xí)根本的PID控制，掌握MATLAB語言的根本功能以及仿真環(huán)境，在深入了解的根底上進(jìn)展對(duì)PID控制算法的研究和改進(jìn)，比較改進(jìn)前后PID控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)。然后，針對(duì)具體被控對(duì)象，選擇適宜的PID控制算法，用MATLAB/Simulink進(jìn)展系統(tǒng)模型模擬仿真，分析不同的控制算法對(duì)控制系統(tǒng)的影響。最后，從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)，結(jié)合MATLAB仿真結(jié)果，研究PID控制算法在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中的意義。第2章 PID

17、控制算法PID控制是一種比較理想的控制方式，它在比例的根底上引入了積分，消除了偏差；又參加微分，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。PID控制算法是將描述連續(xù)過程的微分方程轉(zhuǎn)化成離散化的差分方程從而進(jìn)展控制計(jì)算。2.1 PID控制原理PID控制系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對(duì)象組成。PID控制器則由比例控制器(P)、積分控制器(I)和微分控制器(D)構(gòu)成。它是一種線性調(diào)節(jié)器，通過對(duì)偏差信號(hào)值的比例、積分、微分進(jìn)展線性組合構(gòu)成控制量，然后用所得的控制量控制被控對(duì)象。PID控制系統(tǒng)構(gòu)造組成如圖2.1所示。 圖2.1 PID控制系統(tǒng)構(gòu)造圖PID控制算法的微分方程為： 2-1其中， 相應(yīng)的傳遞函數(shù)為： 2-2其中，是比

18、例系數(shù)，是積分時(shí)間常數(shù)，是微分時(shí)間常數(shù)。 對(duì)一個(gè)具體應(yīng)用來說，我們?cè)诶肧imulink創(chuàng)立模型，尤其是很復(fù)雜的模型時(shí)，為了使模型的層次清晰、調(diào)試方便、運(yùn)行可靠，通常都對(duì)一些常用的子系統(tǒng)進(jìn)展封裝，即將子系統(tǒng)中多個(gè)模塊的對(duì)話框簡化為一個(gè)對(duì)話框。這樣，不需要翻開每個(gè)模塊的對(duì)話框來設(shè)置參數(shù)，只要在一個(gè)封裝對(duì)話框中輸入?yún)?shù)值，這個(gè)數(shù)值便會(huì)自動(dòng)傳遞給封裝子系統(tǒng)的模塊。例如PID控制器的模型構(gòu)造如圖2.2所示，封裝后的PID控制器如圖2.3所示，當(dāng)改變圖2.2中P、I、D的參數(shù)值時(shí)，圖2.3中的PID參數(shù)值也會(huì)隨之改變。圖2.2 PID控制器系統(tǒng)構(gòu)造圖 圖2.3 PID控制器2.2數(shù)字PID控制算法 計(jì)算

19、機(jī)系統(tǒng)中所使用的就是數(shù)字PID控制器。數(shù)字PID控制算法按控制方式分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。2.2.1 PID控制離散化 控制規(guī)律連續(xù)形式與離散化形式的轉(zhuǎn)變結(jié)果如表2-1所示：表2-1連續(xù)形式離散化形式根據(jù)上表，將微分方程2-1轉(zhuǎn)化為差分方程為： 2-3其中， 為比例項(xiàng) 為積分項(xiàng) 為微分項(xiàng)2.2.2位置式PID控制算法計(jì)算機(jī)所使用的是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差信號(hào)值計(jì)算控制量。因此，PID控制的微分方程需進(jìn)展離散化處理。 用采樣時(shí)刻點(diǎn)nT表示連續(xù)時(shí)間t，用和式近似地代替積分，一階后項(xiàng)差分近似代替微分，即： 2-4 則，離散化公式為： 2-5 其中，T采樣周期；

20、 n采樣序號(hào)； u(n)控制器第n次的輸出值； e(i)采樣時(shí)刻i時(shí)刻的偏差信號(hào)； e(n)第n次采樣時(shí)刻的偏差信號(hào)； e(n-1)第n-1次采樣時(shí)刻的偏差信號(hào)；偏差e為零時(shí)，控制器的輸出值。 由于式2-5計(jì)算所得的控制器輸出值u(n)對(duì)應(yīng)的是閥門控制位置，因此該算法稱為位置式PID控制算法。位置式PID控制構(gòu)造如圖2.4所示。圖2.4 位置式PID控制示意圖2.2.3增量式PID控制算法位置式PID控制算法的缺點(diǎn)是，因?yàn)檩敵霾捎玫氖侨枯敵?，并且每次的輸出都與偏差e之前的變化過程有關(guān)，需要對(duì)偏差e進(jìn)展累加計(jì)算，這樣很容易產(chǎn)生累加誤差。因此，為了防止這種情況，應(yīng)當(dāng)采用增量式PID控制算法。增量

21、式PID控制算法指的是控制器的輸出值是控制量增量的控制算法。控制系統(tǒng)構(gòu)造如圖2.5所示。圖2.5 增量式PID控制示意圖由式2-4得： 2-6式2-4減去式2-5得離散化公式為： 2-72.2.4 位置式與增量式PID控制算法優(yōu)缺點(diǎn)比較 1位置式PID控制算法需要進(jìn)展累加計(jì)算，不僅運(yùn)算復(fù)雜，而且易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，造成系統(tǒng)失控；而增量式PID控制沒有復(fù)雜的累加計(jì)算，也不會(huì)產(chǎn)生積分飽和的現(xiàn)象，相對(duì)來說比較穩(wěn)定。但這種算法可能會(huì)產(chǎn)生比例和微分的失控，破壞系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 2位置式PID控制算法調(diào)節(jié)器的輸出是全量輸出，一直都受控制偏差e的影響，易產(chǎn)生大的累積偏差，可能會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；而增量式PI

22、D控制算法只輸出控制變量的增量，對(duì)系統(tǒng)的影響相比而言比較小。 3位置式PID控制算法有初始值，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)到自動(dòng)的無沖擊切換之前需要先將控制器的輸出值置為；而增量式PID控制算法中沒有，相比而言更易實(shí)現(xiàn)無沖擊切換。2.3 改進(jìn)型PID控制算法2.3.1積分項(xiàng)的改進(jìn)積分環(huán)節(jié)在PID控制中的作用是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，提高控制精度。但是如果積分作用過強(qiáng)，就會(huì)產(chǎn)生過積分作用，即積分飽和現(xiàn)象，使得系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)量，振蕩劇烈，延長調(diào)節(jié)時(shí)間。為了抑制這一缺點(diǎn)，就需要對(duì)積分作用環(huán)節(jié)做出一些改進(jìn)。下面以積分別離為例。積分別離的根本原理是：在系統(tǒng)誤差較大時(shí)，取消積分作用，防止系統(tǒng)超調(diào)量增加、穩(wěn)定性降低現(xiàn)象的出現(xiàn)；

23、當(dāng)誤差減小到預(yù)定門限值之后，參加積分作用，進(jìn)展積分累積，這樣既防止了誤差偏大時(shí)的過大控制量的出現(xiàn)，也防止了過積分現(xiàn)象。積分別離的大體過程為：1根據(jù)具體系統(tǒng)設(shè)定閾值；2當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)展PD控制；3當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)展PID控制。積分別離PID控制算法表達(dá)式為： 2-8其中，T為采樣時(shí)間，為積分項(xiàng)開關(guān)系數(shù)，2.3.2微分項(xiàng)的改進(jìn)在PID控制系統(tǒng)中，微分的作用在于抑制超調(diào)現(xiàn)象，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而微分作用對(duì)干擾特別敏感，并不易控制，因此需要采取一定的措施來降卑微分作用對(duì)外界干擾的敏感度，如不完全微分。 微分項(xiàng)輸出與誤差的關(guān)系為： 2-9當(dāng)為階躍函數(shù)時(shí)，的輸出，即只有第一個(gè)周期有鼓勵(lì)作用，而且一般情況下的幅

24、值都比較大，容易造成數(shù)據(jù)溢出。因此，在PID控制輸出后串聯(lián)一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)即低通濾波器，用以抑制微分作用的弱點(diǎn)，就構(gòu)成了不完全微分PID控制?？刂茦?gòu)造如圖2.6所示。圖2.6 不完全微分PID控制構(gòu)造 低通濾波器既可以直接加在微分作用后也可以加在整個(gè)PID控制之后。下面以第一種為例，比較不完全微分PID控制與完全微分PID控制功能的區(qū)別。構(gòu)造框圖如圖2.7所示。圖2.7 不完全微分PID控制算法構(gòu)造框圖 傳遞函數(shù)為： 2-10 對(duì)微分項(xiàng)進(jìn)展一階差異離散化得： 2-11令，則，因此，上式可簡化為： 2-12其中，T為采樣時(shí)間T=，為濾波器系數(shù)。 當(dāng)為階躍函數(shù)時(shí)，即，則， 引入不完全微分后，微分輸

25、出在第一個(gè)采樣周期的脈沖高度下降，此后按照的規(guī)律遞減。因此，采用不完全微分能夠有效地抑制階躍干擾的影響，控制結(jié)果較為理想。第3章 PID參數(shù)整定及仿真3.1 PID參數(shù)整定的定義PID參數(shù)整定即選擇適宜的比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)，使得控制系統(tǒng)處于最正確工作狀態(tài)的過程。合理準(zhǔn)確地選擇PID參數(shù)是有效運(yùn)用PID控制器的關(guān)鍵所在。3.2 PID參數(shù)整定方法PID控制的主要目的是減少干擾、消除系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此必須選擇適宜的控制參數(shù)使系統(tǒng)到達(dá)最正確狀態(tài)。如何準(zhǔn)確、有效地選擇PID參數(shù)就成了PID控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。PID參數(shù)整定的方法有很多，大概可以分為理論計(jì)算整定法和工程整定

26、法兩大類。理論計(jì)算整定法理論計(jì)算整定法主要依據(jù)被控對(duì)象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制參數(shù)。這種方法一般情況下很難做到，計(jì)算得到的的數(shù)據(jù)通常也不可以直接使用，往往還需要做進(jìn)一步實(shí)際工程調(diào)整。工程整定法工程整定法不需要得到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，它主要依賴于工程經(jīng)歷，在實(shí)踐中直接進(jìn)展參數(shù)整定。這種方法簡單易行，便于掌握，可以解決一般的實(shí)際問題，在工程實(shí)際中應(yīng)用最廣。工程整定法主要包括臨界比例度法穩(wěn)定邊界法、反響曲線法和4:1衰減法。下面以臨界比例度法為例解釋PID參數(shù)整定的具體過程，參數(shù)整定計(jì)算公式如表3-1所示。表3-1控制類型整定參數(shù)P0.5K-PI0.455K0.535K/T-PID0.6K1

27、.2K/T0.075KT臨界比例度法具體步驟如下：將比例系數(shù)設(shè)為較小的值，積分系數(shù)、微分系數(shù)分別設(shè)為0，讓系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。逐漸增大比例系數(shù)，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩時(shí)停頓增加，記錄此時(shí)的臨界震蕩比例系數(shù)以及震蕩周期T。根據(jù)和T的值，采用表3-1中的公式，計(jì)算出控制器的各個(gè)參數(shù)值。例如*被控對(duì)象為二階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為： 3-1測量裝置為，仿真模型如圖3.1所示。圖3.1 系統(tǒng)仿真模型 通過不斷仿真可以得出=12.5時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)了等幅震蕩，如圖3.2所示。圖3.2 等幅震蕩曲線由圖3.2可以看出等幅震蕩周期T=15s。穩(wěn)定邊界法整定的PID各參數(shù)值為：=12.5，。則=0.6=0.612.5=7.5=

28、1.2K/=0.515=1=0.045=0.07512.515=14.0625整定后的系統(tǒng)響應(yīng)曲線如圖3.3所示。 圖3.3 穩(wěn)定邊界法整定后的系統(tǒng)響應(yīng)曲線實(shí)踐證明，即使是做了很好整定得出的PID參數(shù)值，系統(tǒng)的響應(yīng)速度與超調(diào)量之間也達(dá)不到最好的協(xié)調(diào)，因此一般情況下我們只需要做到最合理的參數(shù)整定即可。3.3 PID參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響比例環(huán)節(jié)比例系數(shù) 比例環(huán)節(jié)的作用是成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差產(chǎn)生的同時(shí)，調(diào)節(jié)器產(chǎn)生控制作用來減小偏差。比例是最根本的控制作用，一般情況下先在純比例作用下進(jìn)展閉環(huán)調(diào)試選定比例系數(shù)，然后再引入積分和微分作用。值越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生超調(diào)和震蕩

29、，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；值過小，就會(huì)降低系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度變慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，破壞系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。積分環(huán)節(jié)積分時(shí)間常數(shù) 積分主要用于消除系統(tǒng)的余差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分速度越快，誤差消除越快。但過大，系統(tǒng)在響應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，響應(yīng)過程會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也會(huì)變差；但是過小，積分作用就會(huì)變?nèi)酰到y(tǒng)的靜差很難消除，過渡時(shí)間過長，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度和動(dòng)態(tài)性能。微分環(huán)節(jié)微分時(shí)間常數(shù)微分環(huán)節(jié)的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，反映偏差信號(hào)變化率，對(duì)偏差e進(jìn)展提前制動(dòng)，降低超調(diào)量，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。偏大或偏小，系統(tǒng)的超調(diào)量都比較大，調(diào)節(jié)時(shí)間

30、也都比較長，系統(tǒng)的抗干擾性能就會(huì)變差，只有適宜，才能阻止響應(yīng)過程過分提前制動(dòng)，減小超調(diào)量，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間?？偟膩碚f，比例主要用于偏差粗調(diào)，保證系統(tǒng)的“穩(wěn)；積分和微分則主要用于偏差細(xì)調(diào)，保證系統(tǒng)的“準(zhǔn)和“快。下面以一個(gè)具體實(shí)例，分別改變PID控制器的參數(shù)、，來直觀地顯示三個(gè)環(huán)節(jié)的控制作用。設(shè)電機(jī)傳遞函數(shù)為： 3-2 仿真模型如圖3.1所示。圖3.1 PID控制仿真示意圖Simulink仿真輸出波形如圖3.2-3.10所示。改變比例系數(shù)圖3.2 =10 =0 =0圖3.3 =20 =0 =0圖3.4 =50 =0 =0結(jié)論：當(dāng)積分、微分作用不變，只改變比例作用時(shí)，比例系數(shù)越大，調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)。但過大時(shí)

31、導(dǎo)致超調(diào)量增大，系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，動(dòng)態(tài)性能降低。改變積分時(shí)間常數(shù)圖3.5 = 10 =10 =8圖3.6 =10 =20 =8圖3.7 =10 =30 =8結(jié)論：當(dāng)只改變積分作用時(shí)，系統(tǒng)的誤差減小，同時(shí)響應(yīng)變慢，積分時(shí)間常數(shù)較小時(shí)，積分作用也較弱，調(diào)節(jié)時(shí)間過長；積分時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，系統(tǒng)可能產(chǎn)生超調(diào)，導(dǎo)致穩(wěn)定性變差。一般情況下積分作用不單獨(dú)使用。改變微分時(shí)間常數(shù)圖3.8 =10 =20 =8 圖3.9 =10 =20 =10 圖3.10 =10 =20 =12結(jié)論：當(dāng)只改變微分時(shí)間常數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能明顯得到改善，但響應(yīng)比較慢。積分時(shí)間常數(shù)越大，抑制偏差變化的作用越強(qiáng)，但過大就會(huì)產(chǎn)生震蕩，降低系統(tǒng)

32、的抗干擾性能，因此微分作用也不能單獨(dú)使用。 一般來說，大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中只要確定、以及這三個(gè)參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制。因此，很多情況下并不是所有的PID控制都需要比例、積分、微分這三個(gè)環(huán)節(jié)同時(shí)具備，有時(shí)可以只取其中的一到兩個(gè)環(huán)節(jié)，但比例作用環(huán)節(jié)是必不可少的。常用的控制方式如表3-2所示。表3-2控制方式表達(dá)式PPIPDPID總結(jié)與展望 本文通過對(duì)PID控制研究的現(xiàn)狀和開展的綜述，從控制的目的和意義出發(fā)，指明PID控制在實(shí)際應(yīng)用中的重要作用，然后闡述了PID控制算法的定義、構(gòu)造，講解了幾種普通的PID控制算法，在學(xué)習(xí)的根底上對(duì)普通PID控制算法分別進(jìn)展了積分、微分環(huán)節(jié)的改進(jìn)，如積分別離、不完全微分

33、等。通過具體實(shí)例，借助MATLAB/Simulink仿真，直觀有效的顯示PID控制參數(shù)的控制效果。改進(jìn)后的PID控制算法在原有PID控制的根底上，抑制了傳統(tǒng)PID控制的缺點(diǎn)，在調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量以及穩(wěn)定性方面都有了較大的提高，從而使得PID控制能夠在工業(yè)以及工程實(shí)踐中被更好、更廣泛地利用，節(jié)約了資源，同時(shí)也提高了工作效率。 本次設(shè)計(jì)實(shí)在考驗(yàn)個(gè)人獨(dú)立解決問題的能力。雖然設(shè)計(jì)過程當(dāng)中遇到了不少的問題，但是我也確實(shí)從中學(xué)到了很多。它讓我對(duì)整個(gè)PID控制，包括控制原理、開展方向、優(yōu)缺點(diǎn)以及具體應(yīng)用等方面有了更進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)，同時(shí)也對(duì)MATLAB語言工具有了初步的學(xué)習(xí)和運(yùn)用，鍛煉了個(gè)人的意志和能力。再

34、強(qiáng)大的理論都比不過一次小小的實(shí)踐，這次設(shè)計(jì)尤其讓我肯定了這句話的正確性。我也更加地認(rèn)識(shí)到了自身的缺陷，專業(yè)知識(shí)的匱乏，以及綜合解決實(shí)際問題能力的欠缺。吾生也有崖，而知也無崖，學(xué)習(xí)是無止境的，每一刻的停滯不前都有可能是下一刻失敗的前因。所以我會(huì)抓緊時(shí)間盡量彌補(bǔ)自己的缺乏，不拋棄，不放棄，不在以后的將來懊悔無知的現(xiàn)在。致時(shí)光荏苒，歲月如梭。轉(zhuǎn)眼間，四年的大學(xué)生涯即將完畢，而我，已然站在了邁出大學(xué)校門的那一刻?；厥淄?，有過太多的歡笑和淚水，也留下了無盡的眷戀與不舍。很感陪我一路走來的教師、同學(xué)和朋友，你們一直以來的指導(dǎo)、關(guān)心和幫助。在此，向你們致以我最真誠的意。首先，感給予我指導(dǎo)的教師。您長久以來的教誨和幫助，