第挖掘機(jī)工作裝置PID控制器的設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u16645挖掘機(jī)工作裝置PID控制器的設(shè)計(jì)案例 1202911.1PID控制器概述 135241.2Simulink中調(diào)試控制器 1129981.2.1P作用下的控制系統(tǒng)仿真 234921.2.2PI作用下的控制系統(tǒng)仿真 374391.2.3PID作用下的控制系統(tǒng)仿真 4219341.3仿真過程報(bào)錯(cuò)解決辦法 61.1PID控制器概述PID控制器（ProportionIntegrationDifferentiation），由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)組成，在實(shí)際控制過程中，控制器不斷改變kp、Ki、Kd，PID控制系統(tǒng)可以將其看做閉環(huán)負(fù)反饋控制，其控制原理框圖如圖1.1所示。圖1.1PID控制系統(tǒng)框圖在PID控制中，kp、ki和kd的相互作用是互補(bǔ)的。如果比例常數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)設(shè)置正確，可以達(dá)到較好的控制效果。1.2Simulink中調(diào)試控制器運(yùn)行Simulink并搭建基于控制對(duì)象的PID控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)框圖如圖1.2所示。設(shè)置輸入信號(hào)為10的階躍，示波器采集輸入PID控制器的前后信號(hào)。圖1.2控制系統(tǒng)方框圖1.2.1P作用下的控制系統(tǒng)仿真圖1.3P作用下的控制系統(tǒng)打開封裝好的PID控制器模型，將P設(shè)置為10，其余參數(shù)設(shè)置為0，運(yùn)行系統(tǒng)并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖1.3所示。由仿真數(shù)據(jù)可以看出僅有P作用下的控制系統(tǒng)沒能消除穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)輸出曲線與誤差的曲線相比較存在著固定的比例關(guān)系。同時(shí)調(diào)整P參數(shù)，將其擴(kuò)大為100，如圖1.4所示，可以看到控制器輸出上下限更大，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)是的余差更小，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的振蕩周期也變短。然而，隨著P的增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也降低，可以描述為從衰減振動(dòng)到臨界振動(dòng)的轉(zhuǎn)變過程，直到發(fā)散振蕩。圖1.4放大P參數(shù)后的仿真結(jié)果1.2.2PI作用下的控制系統(tǒng)仿真復(fù)制控制系統(tǒng)，修改新創(chuàng)建的控制系統(tǒng)PID控制器的P為10，I為5。接入Mux模塊實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的仿真效果對(duì)比，搭建的系統(tǒng)如圖1.5所示。運(yùn)行Simulink，得到的仿真結(jié)果如圖1.6所示。仿真結(jié)果表明，與p控制相比，pi控制去除了穩(wěn)態(tài)誤差，但系統(tǒng)的超調(diào)和穩(wěn)定時(shí)間大于p控制下的控制系統(tǒng)。圖1.5更新后的控制系統(tǒng)圖1.6對(duì)比仿真結(jié)果在控制系統(tǒng)中，若保持控制器的比例系數(shù)不變，改變積分常數(shù)為7。從圖1.7中可以看出，積分時(shí)間對(duì)過渡過程的影響是具有兩重性的:積分效果增大時(shí)，在相同的干擾下控制器的輸出增加，最大偏差減少，余留消除加快。然而，同時(shí)，系統(tǒng)的振動(dòng)變得激烈，穩(wěn)定性降低，系統(tǒng)的不穩(wěn)定性也發(fā)生。在比例控制系統(tǒng)中，通過添加積分函數(shù)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，為了維持本來的穩(wěn)定性，需要根據(jù)積分常數(shù)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整比例常數(shù)。這樣，系統(tǒng)的振蕩周期、控制時(shí)間和最大偏差變大。積分作用的引人，一方面起到了消除余差的作用，而另一方面卻對(duì)控制系統(tǒng)的其他品質(zhì)指標(biāo)造成負(fù)面影響。圖1.7修改參數(shù)后的仿真結(jié)果1.2.3PID作用下的控制系統(tǒng)仿真同理可搭建PID參數(shù)分別為10,5,3的控制系統(tǒng)，Simulink中搭建的模型如圖1.8所示。運(yùn)行得到的仿真結(jié)果如圖1.9。根據(jù)仿真結(jié)果可以看出相比于前兩種仿真結(jié)果，該控制器的超調(diào)量較小，穩(wěn)定時(shí)間也較短。圖1.8組合控制系統(tǒng)圖1.9PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果對(duì)于大慣性的被控對(duì)象，如果能根據(jù)被控對(duì)象的變化率提前確定控制策略，而不是等待反饋。可以說該控制器具有良好的可預(yù)測(cè)性，可做到提前控制。因此在控制系統(tǒng)中適當(dāng)調(diào)整微分參數(shù)可以全面改善控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。三種控制系統(tǒng)使用Mux總線輸出到一個(gè)示波器中實(shí)現(xiàn)控制結(jié)果仿真對(duì)比，如圖1.10所示。由仿真結(jié)果不難看出，由于微分項(xiàng)對(duì)于突變特別敏感，因此在真實(shí)狀況下，系統(tǒng)可能無法輸出仿真情況下的值。圖1.10三種控制系統(tǒng)仿真輸出1.3仿真過程報(bào)錯(cuò)解決辦法搭建控制系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)仿真的過程中，程序采用默認(rèn)求解模式都可以正常運(yùn)行。將三種控制系統(tǒng)放入一個(gè)Simulink模型中并計(jì)劃用Mux總線實(shí)現(xiàn)三種控制方案對(duì)比時(shí)，出現(xiàn)了如圖1.11所示的報(bào)錯(cuò)界面。