《2022年最新北京工业大学自动控制原理实验八--基于MATLAB的PID控制研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年最新北京工业大学自动控制原理实验八--基于MATLAB的PID控制研究.pdf（14页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、精品文档精品文档实验八 基于 MATLAB 的 PID 控制研究一、 实验目的：1理解 PID 的基本原理2研究 PID 控制器的参数对于系统性能的影响二、 实验设备1pc 机一台（含有软件“matlab” ）三、 实验内容1 利用 matlab 软件，针对控制对象设计单闭环PID 控制系统2通过调节 PID 控制器的参数，研究PID 控制参数对系统性能的影响四、 实验原理1PID 的原理单闭环 PID 的控制系统的作用框图如下：比例 (P)控制比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。
2、比例控制作用及时，能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。其调节器用在控制系统中，会使系统出现余差。为了减少余差，可适当增大PK，PK愈大，余差就愈小；但PK增大会引起系统的不稳定，使系统的稳定性变差，容易产生振荡。积分 (I) 控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。控制器控制对象输入+ 输出精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 14 页 - - - - - - - - - - 精品文档精品文档积分控制的作用是消除稳态误差。只要系统有
3、误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量， 以消除误差。 积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样， 即便误差很小， 积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零， 从而消除稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分 (D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的
4、作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“ 超前 ” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。微分控制能够预测误差变化的趋势，可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高。同时，加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。PID 控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用， 又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合，如温度控制、成分控制等。下图为单位阶跃作用下，各个调节系统的阶跃响应曲线精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - -
5、 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 14 页 - - - - - - - - - - 精品文档精品文档图 1 阶跃响应整定法设计的P、PI、PID 控制阶跃响应五、 实验步骤1 启动 matlab 里面 的 simulink 命令，新建一个model 文件2设定受控对象1( )(51)(21)(101)G ssss构建单位负反馈PID 闭环控制系统3设定Kp1 Ki0Kd=0 观察记录其单位阶跃响应曲线图 2 设计Kp1 Ki0Kd=0 时的 PID 控制器的模拟系统图 3 Kp1 Ki0Kd=0 时的单位阶跃响应曲线4加入比例控制环节，令Kp=2 、4
6、、12.5、15 观察记录其反应曲线并记录下表比例系数超调量上升时间精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 14 页 - - - - - - - - - - 精品文档精品文档稳态误差图 4 设计Kp2 Ki0Kd=0 时的 PID 控制器的模拟系统图 5 Kp2 Ki0Kd=0 时的单位阶跃响应曲线精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 14 页 - - - - - - - -
7、 - - 精品文档精品文档据图可知其超调量Mp= 上升时间 tr= 稳态误差ess= 图 6 Kp4 Ki0Kd=0 时的单位阶跃响应曲线据图可知其超调量Mp= 上升时间 tr= 稳态误差ess= 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共 14 页 - - - - - - - - - - 精品文档精品文档图 7 Kp12.5 Ki0Kd=0 时的单位阶跃响应曲线据图可知其稳态误差ess= 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 -
8、- - - - - - - - -第 6 页，共 14 页 - - - - - - - - - - 精品文档精品文档图 8 Kp15 Ki0Kd=0 时的单位阶跃响应曲线据图可知其稳态误差ess= 5加入积分控制环节固定Kp4 Kd=0，完成下表并记录其单位阶跃响应积分系数0.1 02 0.3 0.4 超调量调节时间（稳态误差 2%时）稳态误差图 9Kp4 Ki0.1 Kd=0 时的单位阶跃响应曲线据图可知其超调量Mp= 调节时间 ts= 稳态误差ess= 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第
9、7 页，共 14 页 - - - - - - - - - - 精品文档精品文档图 10 Kp4 Ki0.2 Kd=0 时的单位阶跃响应曲线据图可知其超调量Mp=调节时间ts=稳态误差 ess= 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 14 页 - - - - - - - - - - 精品文档精品文档图 11 Kp4 Ki0.3 Kd=0 时的单位阶跃响应曲线据图可知其超调量Mp= 调节时间 ts= 稳态误差ess= 图 12Kp4 Ki0.4 Kd=0 时的单位阶跃响应曲线精品资料 -
10、 - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 14 页 - - - - - - - - - - 精品文档精品文档据图可知其超调量Mp=调节时间ts=稳态误差 ess= 6、加入积分控制环节固定Kp4 Kd=0 ，完成下表并记录其单位阶跃响应微分系数2 5 10 50 超调量调节时间（稳态误差 2%时）稳态误差图 13Kp4 Ki0.2Kd=2 时的单位阶跃响应曲线据图可知其超调量Mp=调节时间ts=稳态误差 ess= 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载
11、名师归纳 - - - - - - - - - -第 10 页，共 14 页 - - - - - - - - - - 精品文档精品文档图 14Kp4 Ki0.2Kd=5 时的单位阶跃响应曲线据图可知其超调量Mp=调节时间ts=稳态误差 ess= 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页，共 14 页 - - - - - - - - - - 精品文档精品文档图 15Kp4 Ki0.2Kd=10 时的单位阶跃响应曲线据图可知其超调量Mp=调节时间ts=稳态误差 ess= 图 16Kp4 Ki0.
12、2Kd=50 时的单位阶跃响应曲线据图可知其超调量Mp=调节时间ts=稳态误差 ess= 7 调整适合的PID，得到一条各方面均优于上述步骤的单位响应曲线精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 12 页，共 14 页 - - - - - - - - - - 精品文档精品文档图 17 经过分析各个环节在控制中的作用，反复调节寻找到一个比较优的PID控制环节Kp5 Ki0.12Kd=8 时的单位阶跃响应曲线精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 13 页，共 14 页 - - - - - - - - - - 精品文档精品文档图 18 Kp5 Ki0.1Kd=8 时的单位阶跃响应曲线据图可知其超调量Mp=调节时间ts=稳态误差 ess= 六 实验报告思考题如何减小或消除稳态误差？纯比例控制环节能否消除稳态误差？七 实验感想精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 14 页，共 14 页 - - - - - - - - - -