pid控制器设计.docx

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pid控制器设计

一设计任务与要求

二系统校正的基本方法与实现步骤

三PID的控制原理与形式模型

四设计的原理

五设计方法步骤及设计校正构图

六设计总结

七致谢

八参考文献

一设计任务与要求

校正对象：

已知单位负反馈系统，开环传递函数为：

，设计校正装置，使系统满足：

（1）相位稳定裕量

（2）最大超调量

二系统校正的基本方法与实现步骤

系统校正就是在自动控制系统的合适位置加入适当的装置，以改善和提高系统性能。

按照校正装置在自动控制系统中的位置，可分为串联校正，反馈校正和顺馈补偿。

顺馈补偿方式不能独立使用，通常与其他方式同时使用而构成复合控制。

顺馈补偿装置满足一定条件时，可以实现全补偿，但前提是系统模型是准确的，如果所建立的系统模型有较大误差，顺馈补偿的效果一般不佳。

反馈校正主要是针对系统中的敏感设备——其参数可能随外部环境条件发生变化，从而影响自动控制系统的性能——给敏感设备增加局部负反馈支路以提高系统的抗扰能力。

由于负反馈本身的特性，反馈校正装置通常比较简单，只有比例（硬反馈）和微分（软反馈）两种类型。

串联校正是最基本也是最常用的校正方式，根据校正装置是否使用独立电源，可分为有源校正装置和无源校正装置；根据校正装置对系统频率特性的影响，可分为相位滞后、相位超前和相位滞后－超前校正装置；根据校正装置的运算功能，可分为比例（P）校正、比例微分（PD）校正、比例积分（PI）校正和比例积分微分（PID）校正装置。

三PID控制的原理与形式模型

具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称PID控制器。

这种组合具有三种基本规律各自的特点，其运动方程为：

相应的传递函数为：

PID控制的结构图为：

若

，式（1-2）可以写成：

由此可见，当利用PID控制器进行串联校正时，除可使系统的型别提高一级外，还将提供两个负实零点。

与PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高系统的稳态性能的优点外，还多提供一个负实零点，从而在提高系统动态性能方面，具有更大的优越性。

因此，在工业过程控制系统中，广泛使用PID控制器。

PID控制器各部分参数的选择，在系统现场调试中最后确定。

通常，应使积分部分发生在系统频率特性的低频段，以提高系统的稳态性能；而使微分部分发生在系统频率特性的中频段，以改善系统的动态性能。

四设计原理

校正方式的选择。

按照校正装置在系统中的链接方式，控制系统的校正方式分为串联校正、反馈校正、前馈校正和复合校正四种方式。

串联校正是最常用的一种校正方式，这种方式经济，且设计简单，易于实现，在实际应用中多采用这种校正方式。

串联校正方式是校正器与受控对象进行串联连接的。

本设计按照要求将采用串联校正方式进行校正。

校正方法的选择，根据控制系统的性能指标表达方式可以进行校正方法的确定。

本设计要求以频域指标的形式给出，因此采用基于Bode图的频域法进行校正。

几种串联校正简述，串联校正可以分为串联超前校正、串联滞后校正和滞后-超前校正等。

超前校正的目的是改善系统的动态性能，实现在系统静态性能不受损的前提下，提高系统的动态性能。

通过加入超前校正环节，利用其相位超前特性来增大系统的相位裕度，改变系统的开环频率特性。

一般使校正环节的最大相位超前角出现在系统新的穿越频率点。

滞后校正通过加入滞后校正环节，使系统的开环增益有大幅度增加，同时又使校正后的系统动态指标保持原系统的良好状态。

它利用滞后校正环节的低通滤波特性，在不影响校正后系统低频特性的情况下，使校正后系统中高频段增益降低，从而使其穿越频率前移，达到增加系统相位裕度的目的。

滞后-超前校正适用于对校正后系统的动态和静态性能有更多更高要求的场合。

施加滞后-超前校正环节，主要是利用其超前部分增大系统的相位裕度，以改善系统的动态性能；利用其滞后部分改善系统的静态性能。

以上三种不同的校正方法的一般性设计步骤如下：

1）根据静态性能指标，计算开环系统的增益。

之后求取校正前系统的频率特性指标，并与设计要求进行比较。

2）确定校正后期望的穿越频率，具体值的选取与所选择的校正方式相适应。

3）根据待设计的校正环节的形式和转折频率，计算相关参数，进而确定校正环节。

4）得出校正后系统，检验系统满足设计要求。

如不满足则从第二步重新开始。

在MATLAB中基于Bode图进行系统设计的基本思路是通过比较前后的频率特性，尝试选定合适的校正环节，根据不同的设计原理，确定校正环节参数。

最后对校正后的系统进行检验，并反复设计直至满足要求。

五设计方法步骤及设计校正构图

5.1校正前系统分析

校正前系统的开环传递函数为：

设计要求：

v≥45

t

≤0.2s6≤5%

▼校正前结构图如下：

一阶校正之前的图形如下：

编写程序观察其Bode图如下：

sys=tf（[523500],[187.35104700]）;

figure

（1）;

marigin（sys）;holdon

由上图可以看出来，系统在阶跃输入下并不太稳定输出，震荡比较大，超调量也比较大，系统的动态性能不稳定。

5.2固有的校正函数分析

确定校正装置的传递函数：

利用MATLAB绘画出校正装置的Bode图

sys=tf（[0.000250.0331.056],[0.0310]）;

figure

（1）;

margin（sys）;holdon

5.3系统校正后的系统分析

系统开环传递函数为：

利用MATLAB绘画出校正之后的Bode图

程序如下：

sys1=tf（[523500],[187.35104700]）;

sys2=tf（[0.000250.0331.056],[0.0310]）;

sys3=sys1*sys2;

figwre（3）;

margin（sys3）;

hoidon

六设计总结

这次实验，认识了自动控制领域最常用的PID控制，基本掌握了PID控制的基本规律，同时也认识到自动控制系统的复杂性。

在利用MATLAB软件时经常会碰到一些新问题，而我们手头的资料有限，时间和精力有限，并不能解决所有问题。

比如在PID控制时，一旦选定了Ki和Kd后，超调量随Kp的变化并不明显，这是我无法理解的，当Kp增加时，系统仅仅提高了响应的快速性，而超调量并没有显著的变化。

又如，在PD控制时，当Kd和Kp取值足够大时，便可以使响应曲线完全理想化，即响应时间趋于0，超调量趋于0，在本系统中也满足足够的稳态精度，我就会这样怀疑，并不是所有系统采用PID控制效果一定比其他控制效果要好，等等。

所有这些问题将在今后的学习和实验中寻求答案。

通过这次课程设计，扩展了知识面，锻炼了能力，综合素质得到了较大提高。

安排课程设计的基本目的，在于通过理论与实际的结合，分析问题。

尤其是观察、分析和解决问题的实际工作能力。

运用课堂上学到的系统化的理论知识，常试性地应用于实际设计工作中，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。

检验学习成果

七致谢

通过课程设计，首先对自动控制系统系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。

通过这次课程设计，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。

我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是这次设计给我的一点小小的感悟。

以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。

这大大激发了我学习书本知识的兴趣。

再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的的工作，还应该考虑到实际情况。

总之，感谢张琦老师在设计过程中帮助我，我们宿舍同的同学帮助我,,我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。

参考文献

孔凡才编自动控制原理与系统第三版北京机械工业出版社1999

朱仁初编电力控制系统第一版北京国防工业出版社1993

陈伯时编控制工程基础北京清华大学出版社2003’

王显正编控制理论基础北京国防工业出版社1998