PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及MATLAB仿真

PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及MATLAB仿真

摘 要本文經(jīng)過對(duì)溫度這種常用被控參數(shù)使用PID系統(tǒng)構(gòu)思設(shè)計(jì)，使用MATLAB完成參數(shù)的整定和仿真實(shí)驗(yàn)。在系統(tǒng)中加入干擾信號(hào)來測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過MALTAB中的虛擬示波器來觀察系統(tǒng)的各方面性能。使用系統(tǒng)辨識(shí)法、線上綜合法來初步的探討調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】PID 控制系統(tǒng) MATLAB仿真

PID調(diào)節(jié)器參數(shù)整定簡(jiǎn)便易懂，實(shí)用性高，在產(chǎn)生異常情況下可以很好地運(yùn)行，所以PID調(diào)節(jié)器在生活中很普遍，也是很早發(fā)展起來的控制程序。在日常生產(chǎn)以及工業(yè)生活中，溫度是極具有廣泛新卻又十分主要的數(shù)據(jù)。所以要增高生產(chǎn)速率，增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量，溫度的有效監(jiān)控是非常關(guān)鍵的。

PID調(diào)節(jié)器因?yàn)樗僮鞣椒C(jī)動(dòng)性強(qiáng)，用法靈巧，所以擁有整體系列的產(chǎn)物，在操作過程中只需要設(shè)定其比例、積分、微分便可。

1 PID調(diào)節(jié)器控制原理

PID控制系統(tǒng)是將比例，積分，微分三個(gè)環(huán)節(jié)組合在一起來控制系統(tǒng)誤差的系統(tǒng)。圖1是為原理圖。

1.1 比例環(huán)節(jié)(P)

比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。及時(shí)通過整體中的偏差信號(hào)，當(dāng)誤差產(chǎn)生時(shí)，調(diào)節(jié)器馬上做出反應(yīng)調(diào)節(jié)。比例環(huán)節(jié)可以使控制系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

1.2 積分環(huán)節(jié)(I)

積分環(huán)節(jié)的關(guān)鍵作用在于去除靜差，從而縮小控制環(huán)節(jié)的偏差程度。積分控制的精確度主要在于積分的時(shí)間常數(shù)，時(shí)間常數(shù)越大，控制能力越弱，反過來則越強(qiáng)。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，輸出數(shù)據(jù)與輸入偏差值的積分為正比例。

若是整體中在進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)情況下存在偏差值，那我們則需要為系統(tǒng)解除掉這個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)下的偏差。這樣我們就需要將積分環(huán)節(jié)加入系統(tǒng)中。積分會(huì)伴著時(shí)間的變大而不斷上升，所以跟著時(shí)間的推移，調(diào)節(jié)器會(huì)使輸出數(shù)據(jù)變大使偏差值不斷減小，一直到零誤差。所以，PI調(diào)節(jié)系統(tǒng)也可以是工作環(huán)節(jié)在穩(wěn)定狀態(tài)中去除掉不應(yīng)有的誤差值。

1.3 微分環(huán)節(jié)(D)

微分環(huán)節(jié)可以在調(diào)節(jié)過程中加入一個(gè)及時(shí)而且高效的改正信號(hào)，同時(shí)能在產(chǎn)生偏差信號(hào)的早期，在誤差沒有變的更大之前，及時(shí)進(jìn)行修正，以此來保證系統(tǒng)的迅速動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)中包含具有慣性的設(shè)備和具有滯后性的設(shè)備時(shí)，控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)或消除偏差值得過程中有時(shí)候會(huì)呈現(xiàn)出振動(dòng)或者失去穩(wěn)定狀態(tài)。這種情況下就需要加入微分環(huán)節(jié)。因?yàn)楸壤h(huán)節(jié)放大了偏差值的振動(dòng)幅度，而微分環(huán)節(jié)可以計(jì)算出偏差值變化的走向。PD控制系統(tǒng)就能使動(dòng)作更迭趕不上偏差值更迭，無法操控偏差值的系統(tǒng)。PD系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的超前而我們無法控制誤差，甚至產(chǎn)生副作用。比例微分控制系統(tǒng)可以更加好的控制一些具有滯后性或者具有慣性的系統(tǒng)，可以使超前的誤差消除，從而使系統(tǒng)迅速動(dòng)作，縮小控制時(shí)間。

1.4 控制策略

當(dāng)我們沒有精確地理解系統(tǒng)中的被控對(duì)象時(shí)，也不能使用有用的整定方法來取得系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)時(shí)最合適的技術(shù)就是PID控制技術(shù)。PID技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間的沉淀，已經(jīng)形成固定的體系。它的構(gòu)造簡(jiǎn)易，偏差值小，工作穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，已經(jīng)成為現(xiàn)在工業(yè)中控制系統(tǒng)的主流。它適用于被控對(duì)象的參數(shù)與布局無法精確的認(rèn)識(shí)，無法準(zhǔn)確的建立數(shù)模以及各項(xiàng)技術(shù)理論無法在被控對(duì)象上實(shí)現(xiàn)，必須經(jīng)過人為現(xiàn)場(chǎng)的操控以及工作經(jīng)驗(yàn)來確定的系統(tǒng)。在試驗(yàn)中測(cè)得數(shù)據(jù)信號(hào)與我們所設(shè)定的數(shù)據(jù)相比較，通過信號(hào)源來控制設(shè)備組件。在實(shí)踐中，比例、積分以及微分操控使用很多，也就是說PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)很普及，這種操控又叫PID調(diào)節(jié)器。

2 調(diào)整方法

本文選擇的是工頻50HZ，額定功率800W，溫控范圍在20℃-250℃的一款型號(hào)為CK-9的電烤爐。

設(shè)計(jì)中要做到對(duì)溫度進(jìn)行操控，做到操作時(shí)間短而精確，無最大偏差，實(shí)際性誤差小于1℃。

經(jīng)過事先的了解和測(cè)試：電力升溫設(shè)備是具有自主調(diào)節(jié)穩(wěn)定的能力。經(jīng)過參數(shù)計(jì)算可以將二階的不振動(dòng)系統(tǒng)降階為一階函數(shù)。所以我們用一階函數(shù)來表示本文中的溫度控制系統(tǒng)。

電烤爐模型的傳遞函數(shù)為：

實(shí)際的生產(chǎn)中總會(huì)有一些系統(tǒng)離散性大，隨時(shí)間變化而變化，具有很大的慣性，還有一些存在滯后性的機(jī)械原理繁雜。在運(yùn)行過程中受到譬如負(fù)載干擾的影響，從而參數(shù)或者模型構(gòu)造會(huì)在不同時(shí)間不同環(huán)境之中產(chǎn)生不同的變化。所以在PID調(diào)控中，我們?cè)谡蠑?shù)據(jù)時(shí)，我們不能依靠實(shí)驗(yàn)對(duì)象或者數(shù)模，并且還要能夠隨時(shí)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，來得到隨時(shí)操控的要求。

2.1 PID的調(diào)整方法

實(shí)際的生產(chǎn)中總會(huì)有一些系統(tǒng)離散性大，隨時(shí)間變化而變化，具有很大的慣性，還有一些存在滯后性的機(jī)械原理繁雜。在運(yùn)行過程中受到譬如負(fù)載干擾的影響，從而參數(shù)或者模型構(gòu)造會(huì)在不同時(shí)間不同環(huán)境之中產(chǎn)生不同的變化。所以在PID調(diào)控中，我們?cè)谡蠑?shù)據(jù)時(shí)，我們不能依靠實(shí)驗(yàn)對(duì)象或者數(shù)模，并且還要能夠隨時(shí)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)，來得到隨時(shí)操控的要求。

2.2 數(shù)據(jù)整理方法

斷路器開關(guān)通斷：使用繼電器的開關(guān)通

總結(jié)

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