MATLAB的PID控制算法的研究报告.doc
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1、. .学校代码:10904学 士 学 位 论 文鸡蛋破损检测系统姓 名:赵诣学 号:2指导教师:X业伟学 院:机电工程学院专 业:机械设计制造及其自动化完成日期:2021 年4月26日. .word. .学 士 学 位 论 文基于MATLAB的PID控制算法的研究姓 名:学 号:指导教师:学 院:专 业:完成日期:. .word. . .word. .摘 要PID控制是一种便捷、稳定、直观的控制方式,它因为原理简单、控制效果好、应用对象广、并且易于实现而被广泛地应用于工程控制以及工业实践当中,也是迄今为止应用最为理想的一种控制方式。当被控对象的构造和参数不能完全掌握,或得不到准确的数学模型时,
2、控制理论的其他技术难以采用时,系统控制器的构造和参数必须依靠经历和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。本文在详尽阐述PID控制的根本原理和开展现状的根底上,对PID控制算法进展了深入的分析和研究,对几种PID控制算法的优缺点进展了比拟,改良了传统的PID控制算法,进展了PID控制参数整定,通过MATLAB/Simulink仿真直观的显示控制效果,进一步比拟分析,针对具体对象选择更加适宜的控制算法,为PID控制在实际工程中的广泛应用提供了行之有效的计算方法,大大节约了物资人力,提高
3、了系统的工作效率。关键词:PID;控制算法;MATLAB/Simulink;仿真;参数整定. .word. .ABSTRACT The control of PID is a kind of convenient, stable and intuitive control mode, it is because of simple principle, good control effect, wide application object, and is easy to implement and widely used in engineering control and industri
4、al practice, It is the most ideal one way to control by far. When the structure and parameters of the controlled object is not be fully grasped, or not be a precise mathematical model, the control theory of other technology is difficult to use, the structure and parameters of system controller must
5、depend on experience and on-site missioning to determine, then the application of PID control technology is the most convenient. When we dont fully understand a system and the controlled object, or cannot obtain system parameters through effective measures, It is most suitable for PID control techno
6、logy.Detailed in this paper, the PID control is presented on the basis of the basic principle and development present situation, the PID control algorithm is carried on the thorough analysis and research, pares the advantages and disadvantages of several kinds of PID control algorithm, and improved
7、the traditional PID control algorithm, through the MATLAB/Simulink intuitive display control effect, and further parative analysis, in view of the concrete object to choose more appropriate control algorithm, for PID control is widely used in practical engineering provides a effective calculation me
8、thod, greatly saves materials for human, improve the work efficiency of the system.Key words: PID; Control algorithm; MATLAB/Simulink; The simulation;Parameter setting. .word. .目 录第1章 绪论11.1 PID控制研究的开展和现状11.2设计目的和意义11.3设计的主要任务2第2章 PID控制算法32.1 PID控制原理32.2数字PID控制算法42.2.1 PID控制离散化42.2.2位置式PID控制算法52.2.3
9、增量式PID控制算法62.2.4 位置式与增量式PID控制算法优缺点比拟62.3 改良型PID控制算法72.3.1积分项的改良72.3.2微分项的改良8第3章 PID参数整定及仿真113.1 PID参数整定的定义113.2 PID参数整定方法113.3 PID参数对控制系统的影响14总结与展望21致谢22参考文献23. .word. .第1章 绪论1.1 PID控制研究的开展和现状PID控制器起源并开展于二十世纪初,经过50多年的努力取得了颇为丰硕的成果。1932年移民美国的奈奎斯特采用图形的方法来判断系统的稳定性,1936年英国的ACallender和AStevenson等人给出了PID控制
10、器的方法。二十世纪40年代,美国泰勒仪器公司的Zieiger和Nichols等人用实验的方法分别研究了在开、闭环情况下,比例、积分、微分在控制环节中的作用,首次提出了PID控制参数整定。日本Inoue提出的应用于伺服重复轨迹的高精度控制的重复控制,它是基于内模原理,偏差重复利用,既可跟踪周期性输入信号,又能抑制周期性干扰。基于工业控制中被控对象的纯滞后性,在有确切被控对象的数学模型的前提下,Smith提出的纯滞后补偿模型有很好的控制效果。即在PID控制器后反向并联一个补偿环节,该补偿环节称为预估器。卡尔曼提出的滤波理论,即采用时域上的递推算法在计算机上进展滤波处理,对控制干扰以及测量噪声具有很
11、好的滤波作用。美国Michigan大学Holland教授的遗传算法,将生物学上优胜劣汰、适者生存的的进化理论引入到优化参数当中,按照选择的适配值函数通过遗传中的复制、穿插以及变异对个体进展筛选,保存适配值高的个体,组成优于上一代的新群体,如此周而复始从而得到需求值。这种算法简单而且可并行处理。随着科学技术的不断开展,现代工业的需求不断增加,系统构造的越来越复杂,对PID控制的要求也越来越高,这也使得PID控制必然会向高智能、高精度以及高端化方向开展。1.2设计目的和意义PID控制是最早应用于工业工程实践当中的控制方式,迄今已有70多年的历史。PID控制的含义是:将经过反响后得到的偏差信号分别进
12、展比例、积分、微分运算,将运算的结果叠加后得到控制器的输出信号。因其原理简单、稳定性高、调整方便、适用X围广、控制效果强等一系列优势成为了工业生产当中最常用,也是最广泛的一种控制方式。尤其适用于能够建立数学模型的自动控制系统当中。自1940年以来,PID控制技术就被广泛应用于机械、化工、电力、冶金等工业生产当中。在科学技术飞速开展的现在,工业自动化的水平俨然已经成为了衡量一个国家各个领域现代化的重要标准。PID控制是一种闭环控制,PID控制算法选择的不同,也使得控制系统所得到的结果不同,而系统的闭环特性很大程度上取决于PID控制器的性能。因此,控制系统的最终性能取决于PID参数的调节和优化,而
13、这也正是研究PID控制的意义所在。从实际需求出发,通过MATLAB/Simulink对PID控制算法进展仿真研究,相比之下得到一种行之有效的控制算法,不仅可以节省大量的人力物力,同时也能使系统到达一个最正确的工作状态,延长机器的使用寿命,从而提高工业生产的效率,对现实需求具有重要的意义。1.3设计的主要任务首先,了解PID控制的原理和方法,并学习根本的PID控制,掌握MATLAB语言的根本功能以及仿真环境,在深入了解的根底上进展对PID控制算法的研究和改良,比拟改良前后PID控制算法的优缺点。然后,针对具体被控对象,选择适宜的PID控制算法,用MATLAB/Simulink进展系统模型模拟仿真
14、,分析不同的控制算法对控制系统的影响。最后,从现实需求出发,结合MATLAB仿真结果,研究PID控制算法在工业生产实际应用中的意义。第2章 PID控制算法PID控制是一种比拟理想的控制方式,它在比例的根底上引入了积分,消除了偏差;又参加微分,提高了系统的稳定性。PID控制算法是将描述连续过程的微分方程转化成离散化的差分方程从而进展控制计算。2.1 PID控制原理PID控制系统主要由PID控制器和被控对象组成。PID控制器那么由比例控制器(P)、积分控制器(I)和微分控制器(D)构成。它是一种线性调节器,通过对偏差信号值的比例、积分、微分进展线性组合构成控制量,然后用所得的控制量控制被控对象。P
15、ID控制系统构造组成如图2.1所示。 图2.1 PID控制系统构造图PID控制算法的微分方程为: 2-1其中, 相应的传递函数为: 2-2其中,是比例系数,是积分时间常数,是微分时间常数。 对一个具体应用来说,我们在利用Simulink创立模型,尤其是很复杂的模型时,为了使模型的层次清晰、调试方便、运行可靠,通常都对一些常用的子系统进展封装,即将子系统中多个模块的对话框简化为一个对话框。这样,不需要翻开每个模块的对话框来设置参数,只要在一个封装对话框中输入参数值,这个数值便会自动传递给封装子系统内的模块。例如PID控制器的模型构造如图2.2所示,封装后的PID控制器如图2.3所示,当改变图2.
16、2中P、I、D内的参数值时,图2.3中的PID参数值也会随之改变。图2.2 PID控制器系统构造图 图2.3 PID控制器2.2数字PID控制算法 计算机系统中所使用的就是数字PID控制器。数字PID控制算法按控制方式分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。2.2.1 PID控制离散化 控制规律连续形式与离散化形式的转变结果如表2-1所示:表2-1连续形式离散化形式根据上表,将微分方程2-1转化为差分方程为: 2-3其中, 为比例项 为积分项 为微分项2.2.2位置式PID控制算法计算机所使用的是一种采样控制,它只能根据采样时刻的偏差信号值计算控制量。因此,PID控制的微分方程需进展离
17、散化处理。 用采样时刻点nT表示连续时间t,用和式近似地代替积分,一阶后项差分近似代替微分,即: 2-4 那么,离散化公式为: 2-5 其中,T采样周期; n采样序号; u(n)控制器第n次的输出值; e(i)采样时刻i时刻的偏差信号; e(n)第n次采样时刻的偏差信号; e(n-1)第n-1次采样时刻的偏差信号;偏差e为零时,控制器的输出值。 由于式2-5计算所得的控制器输出值u(n)对应的是阀门控制位置,因此该算法称为位置式PID控制算法。位置式PID控制构造如图2.4所示。图2.4 位置式PID控制示意图2.2.3增量式PID控制算法位置式PID控制算法的缺点是,因为输出采用的是全量输出
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