过程控制仿真报告

PID控制器仿真设计报告

学院：机电工程学院

专业：电气工程及其自动化

组员：黄金玉 1300120209

：蔡旭健 1300120206

：张膑侨 1300120133

仿真设计题b (学号尾数5-9)

有一被控对象传函为:

)

13(2)(02.0+=

-s e s G s

请为其设计一个PID 调节器，该对象接受调节器输出的范围为-1～1，在SIMULINK 里进行仿真，观察饱和现象带来的超调，然后使用积分分离法改进你的PID 调节器，比较改进前后的结果。

一、基于SIMULIK 的仿真建模

PID 控制器（Proportion Integration Differentiation.比例-积分-微分控制器），由比例单元 P 、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp ， Ki 和Kd 三个参数的设定。PID 控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。通过把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个误差用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。PID 控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。

图1 PID 控制系统原理图

PID控制器数学模型：

传递函数可表示为:

实验过程：

1.搭建系统

图 2 PID控制器

2.采用临界比例法整定PID参数，其实现步骤：

1）把积分器微分器断开，得到一个纯比例调节系统，Kp=1

2）逐步增大Kp使输出产生振荡，直至获得等幅震荡，如图所示

3）此时的比例系数为临界比例记为kr=2.33 ，及临界周期值为Tr=1.55s 4）根据zigeler-nigolas经验公式计算出各参数的整定值：

Kp=0.6*kr=1.398；

ki=（6*kr ）/(5*Tr)=1.80； kd=(3*kr*Tr)/40=0.271

依照计算出的参数对模块进行参数设定

3、将仿真时间设定为50，开始仿真得到波形（未加积分分离）：

图3 PID控制器输出

三、积分分离

从图3中不难发现，PID控制系统中，若积分作用太强，会使系统产生过大的超调量，振荡剧烈，且调节时间过长，为了克服这个缺点，我们采用积分分离的方法，即在系统误差较大时，取消积分作用，在误差减小到一定值后，再加上积分作用。这样就可以即减小了超调量，改善动态特性，又保持了积分作用。

PID积分分离改进方法

在过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差，会造成PID运算的积分积累。由于系统的惯性和滞后，在积分累积项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波动。

解决方案：

（1）根据具体系统，人为设定阈值Δ>0；

（2）当|e(k)|>Δ时，采用PD控制；

（3）|当e(k)|<Δ时，采用PID控制；

积分分离控制算法可表示为：

其中，Ts为采样时间，α为积分项的开关系数：α=1，| e(k)|<0；α=0，| e(k)|>0；积分分离PID控制算法的程序框图如图1所示。

图4 PID积分分离控制算法流程图

1.在Simulink中实现积分分离模块的搭建

图5 PID积分分离模块

1.将仿真时间设定为50，Manual Siwtch开关拨到积分分离模块一侧开始仿真并得到波形（得到积分分离法与未用积分分离法的对比）：

图6积分分离式PID控制器输出

四、仿真结果分析比较

从图中可以明显看出加了积分分离的系统的阶跃响应的超调量明显减小，动态性能有所改善。原因在于，加入积分分离环节后，在调节开始时，比例环节占主导，积分环节被有效分离，避免了过多累积从而系统的超调量减少，动态性能得到改善，但并不影响系统的反应速度。当被控量接近给定值时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度。