PID控制参数对系统性能影响的分析

〈〈计算机控制技术》课程三级项目某二阶系统的PID控制器设计及参数整定

报告人：刘宝

指导教师：刘思远

燕山大学机械工程学院机电控制系

2012年9月23日

目录

〈〈计算机控制技术》课程三级项目 (1)

1.1 PID控制的应用现状 (3)

1.2 PID控制器各个参数对系统系能的影响 (3)

1.2.1比例系数K P对系统性能的影响 (3)

1.2.2积分系数K1对系统性能的影响 (4)

1.2.3微分系数K2对系统性能的影响 (5)

1.3对给定的系统进行PID控制调节 (6)

1.4收获与感想 (8)

1.1 PID控制的应用现状

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，乂称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之0从理论角度而言,PID控制是20世纪40年代开始的调节原理的一种典型代表。PID控制再世纪控制工程中应用最广，据不完全统计，在工业过程控制、航空航天控制等领域中，PID孔的应用占80%以上。尽管PID控制已经写入经典教科书，然而由于PID控制的简单与良好的应用效果，人们仍在不断研究PID控制器各种设计方法(包括各种自适应调节、最优化方法) 和未来潜力。

由于液压控制系统大功率、高控制精度、技术成熟等特点，在要求精度高的重型机械机构中得到了广泛应用。在现实工业中比例伺服阀与PID控制器的结合，使得液压控制对于位移、速度、压力等的控制获得更加良好的效果。

1.2 PID控制器各个参数对系统系能的影响

1.2.1比例系数心对系统性能的影响

(1)对系统的动态性能影响：K P加大，将使系统响应速度加快，K P偏

大时，系统振荡次数增多，调节时间加长；心太小乂会使系统的响应速度

缓慢。K P的选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。

(2)对系统的稳态性能影响：在系统稳定的前提下，加大K P可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。因此K P的整定主要依据系统的动态性能。

调节P的大小对系统动态性能影响如图。由图可见，当K p加大时，可是系统动作灵敏，速度加快，在系统稳定的前提下，系统的稳态误差将减小，却不能完全消除系统的稳态误差。Kp偏大时，系统的震荡次数增多，调节时间增长。Kp太大时，系统会趋丁不稳定。

1.2.2积分系数K1对系统性能的影响

积分控制通常和比例控制或比例微分控制联合作用，构成PI控制或PID 控制。

(1)对系统的动态性能影响：对丁合适的k1值，可以减小系统的超调量，提高了稳定性，引入积分环节的代价是降低系统的快速性。

(2)对系统的稳态性能影响：积分控制有助丁消除系统稳态误差，提高系统的控制精度，但若k1太大，系统可能会产生震荡，影响系统的稳定性。

由此可见，积分作用能够消除稳态误差，提高控制精度，系统积分作用的引入通常使系统的稳定性下降，K1太大时系统将不稳定，K1偏大时系统的震荡次数较多。

1.2.3微分系数K2对系统性能的影响

(1)对系统的动态性能影响：微分系数K2的增加即微分作用的增加可以改善系统的动态特性，如减少超调量，缩短调节时间等。适当加大比例控制，可以减少稳态误差，提高控制精度。但K2值偏大或偏小都会适得其反。另外微分作用有可能放大系统的噪声，降低系统的抗干扰能力。

(2)对系统的稳态性能影响：微分环节的加入，可以在误差出现或变

化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。它引进一个早期的修正作用，有助丁增加系统的稳定性。

Step Response

Time (sec) 微分控制经常与比例控制或积分控制联合使用。引入微分控制可以改善 系

统的动态特性，当K2偏小时，超调量较大，调节时间也较长；当 K2合 适时可以提高系统响应速度，提高系统稳定性。

1.3对给定的系统进行PID 控制调节

通过改变不同的参数，便可得到在不同参数情况下的系统响应， 而且以 一个活晰的图像表示出来。

■Kp=8 ,k1 ==D.4 jiriflus n ce -Of d^ffe rent U2 -

K2 二 kp±Di/T

0.5 1

_L

2 2.5 3.5 4

首先取比例系数Kp=30系统响应如图。由图中可以看出，系统响应较满足系统的要求，但是稳态误差较大，需要引入积分环节，进行PI调

取比例系数Kp=30, K1=0.4系统响应如图。由图可以看出，系统的稳

快,

节

态误差已经达到要求，但是系统的超调量较大，震荡次数较多，调整时间较 长，需要引入微分环节，进行 PID 调节。

取Kp=35, K1=0.4 , K2=15系统响应如图。由图可以看出，系统的超 调量小丁 2%,调整时间小丁 0.2s,稳态误差小丁 5%,很好的满足了系统的 要求。

PID 控制器的参数必须根据工程问题的具体要求来考虑。 在工业过程 控

制中，通常要保证闭环系统稳定，对给定量的变化能迅速跟踪，超调量小。 在不同干扰下输出应能保持在给定值附近， 控制量尽可能地小，在系统和环 境参数发生变化时控制应保持稳定。 一般来说，要同时满足这些要求是很难 做到的，必须根据系统的具体情况，满足主要的性能指标，同时兼顾其它方 面的要求。

在选择采样周期T 时，通常都选择T 远远小丁系统的时间常数。因此， PID 参数的整定可以按模拟控制器的方法来进行。

1.4收获与感想

通过这次的课程三级项目，我更加深入的了解了 PID 的控制机理，单 纯的学习课本上的理论知识，我们只能大概的了解它的机理，但是其深层含 义却无法体会，这次通过 matlab 程序仿真，通过一次一次的参数整定，了

解到每一个参数的变化对系统行性能的影响，这样从实际中了解到这些知

识，才能更加领会其中的真正机理，为以后的 PID 设计工作打下坚实的基

13.80.60.4Hi?Time (sec)

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