简介:关于对写作系统控制论文范文与课题研究的大学硕士、相关本科毕业论文系统控制论文开题报告范文和相关文献综述及职称论文参考文献资料下载有帮助。
周少武陈敏沈红远 曾照福
（湖南科技大学信息与电气工程学院 湖南湘潭411201）
摘 要：传统PID参数整定的教学方法以定性分析、说理教学为主,学生只能在概念上去认识PID控制的规律,理解比较肤浅,教学效果很难令人满意.运用MATLAB进行PID参数整定的教学改革,通过形象化的仿真演示,有助于提高学生对PID控制规律的深入理解,激发学生的学习兴趣,培养学生的创造性思维.结果表明,Matlab软件的运用能提高“PID参数整定”课程的教学质量,丰富课程教学内容,改善教学效果.
关键词：计算机控制技术；PID控制；MATLAB
0引言
计算机控制技术是一门综合性很强的专业基础课,涉及的基础理论知识面较广、概念抽象、数学计算量大,学生往往理解起来困难较大.PID控制器具有原理简单,使用方便,适应性强,鲁棒性好的优点而被广泛应用.数字PID控制器参数对控制系统的性能的影响很大.因此PID参数整定是设计PID控制系统的核心内容,PID参数的调节和优化决定了控制系统最终能达到的控制性能.但是PID参数的整定方法复杂,通常工程上采用试凑法来确定,要花费大量的时间和精力进行反复的试验、修改,且很难得到最优的控制参数．学生掌握PID参数整定的方法很困难.
MATLAB软件在数值分析、矩阵运算、信号处理、自动控制、优化设计等方面得到广泛应用.它内含的动态系统仿真工具Simulink可通过方块图的方式构建系统,可以方便、快速地找到使系统达到满意性能指标的参数,并以图形反映仿真结果.把MATLAB引入到计算机控制技术课程“PID参数整定”的教学中,有利于学生对知识的掌握和理解.
1.PID控制原理
PID控制系统原理框图如图1所示[1].系统由PID控制器和被控对象组成.将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,故称PID控制器.
控制器的输出和输入之间为比例一积分一微分关系,即：
PID控制器各校正环节的作用如下：
(1)比例环节：成比例地反映控制系统的偏信号e(t),偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减小偏差.
(2)积分环节：主要用于消除静差,提高系统无差度.积分作用的强弱取决于积分时间常数TI,TI越大,积分作用越弱,反之则越强.
(3)微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变速率）,并能在偏差信号变得太大之前,在系统中入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的调节速度,减少调节时间.
2.PID控制器参数对控制性能的影响
2.1比例系数K.
比例系数K.加大,会使系统的响应速度加快,减小系统稳态误差,从而提高系统的控制精度.过大的比例系数K.会使系统产生超调（甚至产生振荡）,调节时间加长,并使系统稳定性变坏或使系统变得不稳定.当Kp太小时又会使系统的动态反应速度缓慢.
2.2积分时间常数T；
一般不单独采用积分控制器,通常与比例控制或比例微分控制联合作用,构成P1控制或PID控制.积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti的大小,Ti越小,积分作用越强,反之则积分作用弱.增大积分时间常数Ti,有利于减小超调,减小振荡,使系统更稳定,但同时要延长系统消除静差的时间.积分时间常数太小会降低系统的稳定性,增大系统的振荡次数.
2.3微分时间常数Td
微分控制作用只对系统动态过程起作用,而对稳态过程没有影响,且对系统噪声非常敏感,所以单一的微分控制器都不宜采用.通常与比例控制或比例积分控制联合作用,构成PD控制或PID控制.微分作用的强弱取决于微分时间常数Ti的大小,Td越大,微分作用越强,反之则越弱.微分时间常数Td偏大或偏小时,系统的超调量都较大,调节时间都较长,只有选择合适的Td,才能获得比较满意的过度过程.
从PID控制器的三个参数的作用可以看出三个参数直接影响控制效果的好坏,所以要取得较好的控制效果,就必须合理的选择控制器的参数.
3.数字PID控制器参数整定方法
PID控制器参数整定是指KP.T1、TD和采样周期T,控制效果的好坏在很大程度上取决于参数KP、Tl和TD的选取是否合适,因此参数整定的任务是选取合适的PID控制器参数使整个系统具有满意的动态性能.确定这些参数可以通过理论分析方法,也可以通过实验方法,特别是系统被控对象模型参数不确定或不准确时,实验方法较为有效.一般地,确定数字PID控制器参数的实验方法主要有试凑法、扩充临界比例度法和扩充响应曲线法,实践中扩充临界比例度法应用较多.
当置PID控制器的Ti等于∞与TD等于O时,增加Kp值直至系统开始振荡,此时系统闭环极点应在复平面的jω,虚轴上,确定系统闭环根轨迹与复平面jω轴交点,求出交点的振荡角频率ωm及其对应的系统增益Km,则其PID控制器参数整定计算公式如表1所示.
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4.MATLAB仿真在PID控制器设计教学中的应用
设有一单位反馈系统,其开环传递函数为
用MTLAB设计PID控制器使系统稳定.
4.1 P控制
首先设Ki等于0,KD等于O,Kp根据表1取不同的值,仿真的结果如图2(Kp等于150).根据图2中系统的阶跃响应曲线可知,增大比例系数将加快系统的响应,有利于减少静差.
但比例系数越大,系统的超调也越大,甚至可能变得不稳定,同时从图2中可看出仅有比例环节时调节时间较长[2.3.4].同时由控制理论可知,仅有比例控制时,系统不可避免存在静差,静差和比例系数成反比.因此PID控制器的Kp参数应在保证系统稳定的前提下尽可能取大一点.
4.2 PT控制
设Kp等于150,KD等于O,加入积分环节后控制效果如图3(Ki等于0.5).从图3中可看出,引入积分环节后,对系统的动态性能没有什么改善.根据控制理论的知识知道,系统仅有比例环节时,输出信号有静差,但积分环节是对误差的累加,经过一定的时间后,系统可以实现无静差输出.
4.3 PID控制
对于一些实际系统,仅有PI控制,系统的动态性能往往不理想,需要加入微分控制来改善动态特性.加入微分控制完整的PID控制器效果如图4所示(Kp等于150,Ki等于0.5,KD等于10).从图4中可看出因为有积分环节,系统可实现无静差输出：引入微分环节后系统的超高量大为减小,调节时间也减小.达到了满意的控制效果.
5.结束语
MATLAB是一款强大的控制系统仿真软件,几乎能对所有当今最先进的控制技术仿真,其仿真生动、直观、形象.通过形象的仿真分析,可以将控制规律作比较全面、深人的演示.在课堂教学中引入MATLAB系统仿真,可加深学生对各种控制规律的内在意义的理解.本文利用MATLAB程序对实际系统中不同的PID控制器参数对控制系统的影响进行仿真,将每一组参数的仿真结果保存起来,对比参数变化对系统性能的影响,可使学生较快掌握PID控制各参数的变化对系统性能的影响,提高课程教学效果.
参考文献
[1]戴永．微型计算机控制技术[M],湘潭：湘潭大学出版社,2009．
[2]黄忠霖．控制系统MATLAB计算及仿真[M]．北京：国防工业出版社,2001.
[3]飞思科技产品研发中心．MATLAB7辅助控制系统设计与仿真[M]．北京：电子工业出版社,2005．
[4]王正林,郭阳宽,过程控制与Simulink应用[M]．北京：电子工业出版社,2006．
（资助课题：湖南省精品课程（计算机控制技术））
总结：本论文可用于系统控制论文范文参考下载，系统控制相关论文写作参考研究。
系统控制论引用文献:
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