《基于MATLAB的PID控制器参数整定及仿真.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于MATLAB的PID控制器参数整定及仿真.pdf（5页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第2 6 卷第4期 2 0 0 6年 1 2月 西安科技大学学报 J OU R N A L O F X I A N U NI V E R S I T Y O F S C I E N C E AN D T E C HN OL O G Y V0 J 2 6 N o 4 De c 2 0 o 6 文章编号： 1 6 7 2- 9 3 1 5 ( 2 0 0 6 ) 0 4 0 5 1 1 0 4 基于 MA T L A B的 P I D控制器参数整定及仿真 何东健 ， 刘忠超。 ， 范灵燕 ( 1 西北农林科技大学 信息工程学院； 2 西北农林科技大学 机械与电子工程学院； 3 西北农林科技大学 经
2、济管理学院， 陕西 杨凌 7 1 2 1 0 0 ) 摘要： P I D控制器结构和算法简单， 应用广泛， 但参数整定方法复杂， 通常用凑试法来确定。文中 探讨利用M A T L A B实现 P I D参数整定及仿真的方法， 并分析、 比较比例控制、 比例积分控制和比例 微分控制， 探讨了 。 ， 3个参数对P I D控制规律的影响。 关键词： M A T L A B ； P I D控制器； 参数整定； 仿真 中图分类号： T P 3 0 1 文献标识码； A Pa r a me t e r t u n i n g a n d e mu l a t i o n o f PI D c o n t
3、 r o l l e r b a s e d o n M ATLAB H E D o n g - j i a n 。 L I U Z h o n g c h a o 。 F A N L i n g - y a n ( 1 C o l l e g e o fI n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g， N o r t h w e s t A & F u n vemt y ； 2 C o l l e g e ofM e c h a n i c a l a n d E le c t r o n i c E n g i n e e ri n g, N o r
4、 t h wes t A & F U n i v e r s i t y ； 3 C o l l e g e ofE c o n o m i c s a n d M a n a g e m e n t N o r t h wes t A &F U n i v e r s i t y ， Y a n g l i n g 7 1 2 1 0 0 ， C h n a ) Ab s t r a c t ：T h e c o n t r o l s t r u c t u r e a n d a l g o r i t h m o f P I D i s e a s y a n d wi d e l y
5、 a p p l i c a b l e。 b u t i t s s e t t i n g me th- o d s o f p a r a me t e r a r e mu l t i f a r i o u s Ge n e r a l l y u t i l i z e g u e s s i n g a n d t r y i n g t o fi xT h i s a r t i c a l i s c o n v e n i e n t t o t u n e PI D p a r a me t e r s a n d e mul a t e thr o u g h MATL
6、 AB e x p e r i me n t 。 An a l y z e a n d c o mp a r e t h e p r o p o r t i o n c o n t r o l 。 the p r o p o r t i o n i n t e g r a l c o n t r o l a n d t h e p r o p o r t i o n d i ff e r e n t i a l c o n t r o 1 Di s c u s s the i n fl u e n c e o f t h r e e p a r a me t e r s K P。 T I a
7、n d t o the P I D c o n t r o l r u l e s Ke y wo r d s ： MA T L A B；P I D c o n t r o l l e r ；p a r a me t e r t u n i n g ；e mu l a t i o n 0 引言 P I D控制器又称为 P I D调节器， 是按偏差的比例 P ( P r o P o rt io n a1) 、 积分 I ( I n te g r a1) 、 微分 D ( D iff e r e n t i al o r D e r i v a t iv e ) 进行控制的调节器的简称， 它主要针
8、对控制对象来进行参数调节。P I D控制器问世至今， 控制理 论的发展经历了古典控制理论、 现代控制理论和智能控制理论3 个阶段。在工业控制系统和工程实践中， 传 统的P I D控制策略依然被广泛采用。因为它算法简单、 稳定性好、 工作可靠、 鲁棒性好， 在工程上易于实现。 但P I D控制器的参数整定方法复杂， 通常采用P I D归一参数整定法和试凑法来确定， 费时、 费力， 且不能得到 最优的整定参数n 。针对这一问题， 文中探讨用M A T L A B实现 P I D参数整定及仿真的方法及控制参数对 P I D控制规律的影响。利用 M A T L A B强大的计算仿真能力， 解决了利用试
9、凑法来整定参数十分浩繁的工 作， 可以方便、 快速地找到使系统达到满意性能指标的参数。 收稿 日期 ： 2 0 0 5一l J o 7 作者简介： 何东健( 1 9 5 7 一) ， 男， 教授， 陕西西安人， 工学博士， 主要从事图像分析与识别和多媒体网络应用等研究 维普资讯 http:/ 5 1 2 西安科技大学学报 2 0 0 6卓 1 P i l1) 控制器的原理与算法 当被控对象的结构和参数不能被完全掌握， 或得不到精确的数学模型时， 应用 P I D控制技术最为方便。 P I D控制器就是根据设定值与实际值的误差， 利用比例( P ) 、 积分( I ) 、 微分( D ) 等基本
10、控制规律， 或者把它们 适当配合形成有 P I ， P D和P I D等的复合控制规律， 使控制系统满足性能指标要求。 控制系统大多都有储能元件， 这就使系统对外界的响应有一定的惯性， 且能量和信息在传输和转化的过 程中， 由于管道、 距离等原因也会造成时间上的延迟， 所以， 按偏差进行比例调节， 很难取得理想的控制效果， 因此引入偏差的积分( P I ) 调节以提高精度， 引入偏差的微分( P D ) 来消除系统惯性的影响。这就形成了按偏 差的 P I D调节系统 J 。 图 1 是典型P I D控制系统结构图。在 P I D调节器作用下， 对误差信号分别进行比例、 积分、 微分组合控 制。
11、调节器的输出作为被控对象的输入控制量。 P I D控制算法的模拟表达式为 1 ， l J一，、 ( t ) =K e e ( t ) + 【 e ( t ) d t + ( 1 ) 相应的传递函数为 1 ( 3 )= J ( P ( 1 + + s ) ( 2 ) J， 式中 为比例系数； 为积分时 间常数； 为微分时间常数- 4 J 。 在传统的 P I D调节器中， 确定 ， ， 3 个参数的值， 是对系统进 行控制的关键。因此， 控制最主要的 问题是参数整定问题， 在 P I D参数进 行整定时， 若有理论方法确定P I D参 数当然最为理想， 但实际应用中， 更 多的是通过试凑法来确定
12、 P I D的参 图 1 典型 P I D控制系统结构图 F i g 1 Di a g r a m o f t y p i c a l P I D c o n t r o l s y s t e m s t r u c t u r e 数。而利用 b t A T L A B强大的仿真工具箱的功能， 可以方便地解决参数整定问题。 2 电子心率起搏器系统 电子心率起搏器系统可以认为是一个实时监控装置。它是由起搏器和起搏导线构成。起搏器本身是一 个脉冲发生器， 由微电子电路和紧凑型电池构成。起搏器必须能够识别和感知心脏自主激动， 当起搏器感知 不到任何心脏自主跳动时， 起搏器就会释放一个电脉冲， 心
13、脏的肌肉就会收缩一次。起搏器通过一根或两根 起搏导线与心脏相连 ， 起搏导线是一根很细的、 外带绝缘层的导线， 直接放置在右心室或右心房中。通过这 根导线， 电脉冲被传送至心脏。起搏导线也可以感知心脏的自主激动， 并将这个信息传回给起搏器。 起搏器按照设定的频率每隔一段时间对心脏跳动情况进行监控。监控频率和时间间隔是根据人的正常 心脏跳动频率来设计的。比如一个人的正常心率是7 5 m i n ， 那么监控频率则设定为7 5 m in ， 两次监控 的时间间隔为0 8 8 。起搏器工作时， 自 动时钟装置每隔0 8 8 就发出信号引导监测心脏跳动， 若过了0 。 8 s 心脏还没有动， 起搏器就
14、会立刻发出电脉冲信号， 对心脏进行电刺激， 引发心脏跳动， 保证心脏正常功能运 转。 由起搏器的工作原理和设计过程可知， 电子心率起搏器系统中模仿心脏的传递函数相当于一纯积分器， 同时要把心脏跳动状态的电脉冲信号反馈传送回心脏， 为一单位负反馈。起搏器的增益及系统参数根据设 计经验选择( 图2 ) 。为了及时准确地控制起搏器正常工作， 就需要在前端加入 P I D控制， 而 P I D控制器参数 选择是设计要解决的主要问题。 维普资讯 http:/ 第4期 何 东健等： 基于MA T L A B的 P I D控制器参数整定应仿真 5 l 3 3 P I D控制器的 MA T L A B仿真 M
15、 A T L A B是美国 M a t h W。 r k s 公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件， 它集数值分析、 矩阵运 算、 信号处理和图形显示于一体， 构成了一个方便的、 界面友好的用户环境。M A T L A B可以方便地设计漂亮 的界面， 具有丰富的函数库， 和其他高级语言也具有良好的接口， 同时也可以方便地实现与其他语言的混合 编程， 使它已经成为国际上最为流行的科学与工程计算的软件工具， 进一步受到了科研工作者的欢迎 。 P I D控制器的参数 ， ， ， 分别对 系统性能产生不同的影响。在控制过程 中如何把 3参数调节到最佳状态 ， 需要深 入了解 P I D控制中3
16、参数对系统动态性 能的影响。下面讨论起搏器 3 参量变化 时对系统控制作用的影响。在讨论一个 参量变化产生的影响时， 设另外两个参量 为常数。 3 1 P控制作用分析 图2 电子心率起博器系统结构图 F i g 2 Di a g r a m o f e l e c t r o n i c h e a r t r a t e i n s t r u me n t s y s t e m s t ruc t u r e 设 =o ， T I =， K p=2 0 02 4 0 。 输入信号为阶跃函数， 根据电予心率起搏器系统结构图， 进行 M A T L A B程序仿真如下。 P控制作用程序 G
17、= ， ( 5 ， 1 3 4 5 ) ； 给定中间环节的传递函数形式 G 2 =t r ( 1 ， 1 0 ) ； Gl 2= G1G2 ； = 2 0 0 ： 2 0 ： 2 4 0 ； f o r i =l ： l e n g t h ( ) G =f e e d b a c k ( ( )G l 2 ， 1 ) ； s t e p ( G c ) ， 对单位阶跃函数的响应 h o l d o n e n d a x is ( 0 ， 5 ， 0 2 ， 1 6 ) ； 由运行该程序后系统的阶跃响应曲线( 图3 ) 可知， 为了提高响应速度和调节精度， 电子心率起搏器系统 中P I D控
18、制器的参数 应选用2 4 0 。 l l 5 1 1 1 0 5 萋 - O 05 O 9 O 85 O 05 0 1 O 1 5 O 2 O 2 5 0 3 O35 0 4 s 图3 电子心率起搏器系统 P控制阶跃响应曲线 F i g 3 C u r v e o f e l e c t r o n i c h e a r t - r a t e i n s t ru me n t s y s t e m P c o n t r o l s t e p l e a p r e s p o n s e 4 3 5 3 差 z s 2 1 5 l 图4 电子心率起搏器 P I 控制阶跃给定响应曲线
19、 F i g 4 C u rve o f e l e c t r o n i c h e a r t - r a t e i n s t r u me n t s y s t e m P I c o n t r o l s t e p l e a p r e s p o n s e 维普资讯 http:/ 51 4 西安科技大学学报 2 0 0 6血 3 2 比例积分控制作用的分析 设 = 2 0 0 ， 讨论 = 0 2 0 4时对系统阶跃响应曲线的影响。根据电子心率起搏器系统结构图的数 据， 进行 M A T L A B程序仿真如下。 比例积分控制作用程序 G = ( 5 ， 1 3 4
20、5 ) ； 给定中间环节的传递函数形式 G 2 = t ( 1 ， 1 0 ) ； Gl 2= Gl G2； =2 0 0； = 0 2 ： 0 1 ： 0 4 ； f o r l ： l e n g t h ( ) G 。 = t ( ( )1 ， ( i ) 0 ) ； G = f e e d b a c k ( G ，I I G I 2 ， 1 ) ； s t e p ( ) ， 对单位阶跃函数的响应 h o l d O n e n d a x is ( 0 ， 1 2 ， 0 2 ， 1 6 ) ； 由运行该程序后系统的阶跃响应曲线( 图4 ) 可知， 为了消除系统的稳态误差， 提高系
21、统的控制精度， 电 子心率起搏器系统中P I D控制器的参数 应选用0 3 。 3 3 比例微分调节作用的分析 设 = 2 0 0 ， = 0 2 ， 讨论 7 o =1 0 0 7 0 0时对系统阶 跃响应曲线的影响。根据电子心率起搏器系统结构图， 进 行 M A T L A B程序仿真如下。 比例微分调节作用的程序 G I = t ( 5 ， 1 3 4 5 ) ； 给定中间环节的传递函数形式 G 2 = t ， ( 1 ， 1 0 ) ； Gl 2= Gl G 2 ； =2 0 0 ； =0 2； = 1 0 0 ： 3 0 0 ： 7 0 0 ； f o r i =l ： l e n
22、gth ( ) G 。 = t ( ，II ( i ) 1 ， 0 ) ； G 。 。 = f e e d b a c k ( G G l 2 ， 1 ) ； s t e p ( G 。 。 ) ， 对单位阶跃函数的响应 h o l d o n 图5 电子心率起搏器 P I D控制阶跃给定响应曲线 F i g 5 Cu r v e o f e l e c t r o n i c h e a r t - r a t e i n s t r u me n t s y s t e m P I D c o n t rol s t e p l e a p r e s p o n s e e n d a
23、x i s ( 0 ， 1 2 ， 0 2 ， 1 6 ) ； 由运行该程序后系统的阶跃响应曲线( 图5 ) 可知， 为了改善系统的动态性能， 如减小超调量， 缩短调节 时间， 电子心率起搏器系统中P I D控制器的参数 应选用4 O 0 。 4 结论 1 ) 利用 M A T L A B对P I D参数进行整定和仿真， 省去了传统方法反复修改参数， 反复试运行， 方便、 快 捷、 省时、 直观。 2 ) 增大比例系数 将加快系统的响应， 有利于减小静差， 但是过大会使系统有较大的( 下转第5 2 3页) 维普资讯 http:/ 第4期 秦艾等： 激光光斑定位的多圃拟合算法的研究 5 2 3
24、参考文献： 1 李为民， 俞巧云 光点定位中的曲面拟合迭代算法 J 光学技术， 2 0 0 4 ， 3 0 ( 1 ) ： 1 3 2 】 张志勇 精通 M A T E R L A B 6 5 版 M 北京： 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 3 3 刘贤德 C C D及其应用原理 M 武汉： 华中理工大学出版社， 1 9 9 0 ： ll 5 4 杨煊， 裴继红， 杨万海 实时光点检测与跟踪方法研究 J 红外与毫米波学报 ， 2 0 0 1 ， 2 0 ( 4 ) ：l 一 4 5 杨志文 光学测量 M 北京 ： 北京理工大学出版社， 1 9 9 5 ： 3 5 4 3 5 8 6 C
25、a s t h m a n K R 数字图像处理 M 北京： 清华大学出版社。 1 9 9 8 ： 2 0 0 2 2 9 ( 上接第5 1 4页) 超调， 使稳定性变坏； K p 取值过小， 会使系统的动作缓慢。 3 ) 增大积分时间 有利于减小超调， 减小振荡， 使系统的稳定性增加， 但系统静差消除时间变长； 若 过小， 系统的稳态误差将难以消除， 导致系统不稳定。 4 ) 增大微分时间 有利于加快系统的响应速度， 使系统超调量减小， 稳定性增加。但 不能过大， 否则会使超调量增大， 调节时间较长； 若 过小， 同样超调量也增大， 调节时间也较长。 参考文献 ： 1 赖寿宏 微型计算机控制
26、技术 M 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 3 ： 9 0 一 l 1 1 2 刘明俊， 于明祁 自动控制原理 M 长沙： 国防科技大学出版社 ， 2 0 0 0 3 陈辉， 邵林 基于 MA T L A B的数字 P I D控制器仿真 J 连云港职业技术学院学报， 2 0 0 4 ， 1 9 ( 2 ) ： 3 1 3 2 4 齐剑玲， 曾玉红， 刘慧芳 P I D调节器的仿真研究 J 海淀走读大学学报， 2 0 0 4 ， 8 ( 1 ) ： 6 9 7 1 5 王沫然 MA T L A B与科学计算 M 第二版北京： 电子工业出版社， 2 0 0 3 6 薛定宇 控制系统计算机辅助分析M a d a b 语言及其应用 M 北京： 清华大学出版社， 1 9 9 6 维普资讯 http:/