实验三 PID 控制器参数对系统性能的影响
《自动控制原理》自动控制PID实验报告
《自动控制原理》自动控制PID实验报告课程名称自动控制原理实验类型：实验项目名称：自动控制PID一、实验目的和要求1、学习并掌握利用MATLAB 编程平台进行控制系统复数域和频率域仿真的方法。
2、通过仿真实验研究并总结PID 控制规律及参数对系统特性影响的规律。
3、实验研究并总结PID 控制规律及参数对系统根轨迹、频率特性影响的规律，并总结系统特定性能指标下根据根轨迹图、频率响应图选择PID 控制规律和参数的规则。
二、实验内容和原理一）任务设计如图所示系统，进行实验及仿真程序，研究在控制器分别采用比例（P）、比例积分（PI）、比例微分（PD）及比例积分微分（PID）控制规律和控制器参数（Kp、Ki、Kd）不同取值时，控制系统根轨迹和阶跃响应的变化，总结pid 控制规律及参数变化对系统性能、系统根轨迹、系统阶跃响应影响的规律。
具体实验容如下：1、比例（P）控制，设计参数Kp 使得系统处于过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三种状态，并在根轨迹图上选择三种阻尼情况的Kp 值，同时绘制对应的阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 的变化情况。
总结比例（P）控制的规律。
2、比例积分（PI）控制，设计参数Kp、Ki 使得由控制器引入的开环零点分别处于：1）被控对象两个极点的左侧；2）被控对象两个极点之间；3）被控对象两个极点的右侧（不进入右半平面）。
分别绘制三种情况下的根轨迹图，在根轨迹图上确定主导极点及控制器的相应参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 和Ki 的变化情况。
总结比例积分（PI）控制的规律。
3、比例微分（PD）控制，设计参数Kp、Kd 使得由控制器引入的开环零点分别处于：1）被控对象两个极点的左侧；2）被控对象两个极点之间；66 3）被控对象两个极点的右侧（不进入右半平面）。
分别绘制三种情况下的根轨迹图，在根轨迹图上确定控制器的相应参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 和Kd 的变化情况。
PID控制实验报告
实验二数字pid控制计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。
因此连续pid控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。
在计算机pid控制中，使用的是数字pid控制器。
一、位置式pid控制算法按模拟pid控制算法，以一系列的采样时刻点kt代表连续时间t，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，可得离散pid位置式表达式：?tu(k)?kp?e(k)??ti?k?e(j)?j?0k?td(e(k)?e(k?1))??t?e(k)?e(k?1) t ?kpe(k)?ki?e(j)t?kdj?0式中，ki?kpti，u为控制,kd?kptd，e为误差信号（即pid控制器的输入）信号（即控制器的输出）。
在仿真过程中，可根据实际情况，对控制器的输出进行限幅。
二、连续系统的数字pid控制仿真连续系统的数字pid控制可实现d/a及a/d的功能，符合数字实时控制的真实情况，计算机及dsp的实时pid控制都属于这种情况。
1．ex3 设被控对象为一个电机模型传递函数g(s)?1，式中2js?bs j=0.0067,b=0.1。
输入信号为0.5sin(2?t)，采用pd控制，其中kp?20,kd?0.5。
采用ode45方法求解连续被控对象方程。
d2ydyy(s)1?，则?u，另y1?y,y2?y?2因为g(s)?，所以j2?bdtu(s)js?bsdt??yy??12，因此连续对象微分方程函数ex3f.m如下 ?y?2??(b/j)y?(1/j)*u?2? function dy = ex3f(t,y,flag,para) u=para; j=0.0067;b=0.1;dy=zeros(2,1);dy(1) = y(2);dy(2) = -(b/j)*y(2) + (1/j)*u;控制主程序ex3.mclear all;close all;ts=0.001; %采样周期xk=zeros(2,1);%被控对象经a/d转换器的输出信号y的初值e_1=0;%误差e(k-1)初值u_1=0;%控制信号u(k-1)初值for k=1:1:2000 %k为采样步数time(k) = k*ts; %time中存放着各采样时刻rin(k)=0.50*sin(1*2*pi*k*ts); %计算输入信号的采样值para=u_1; % d/a tspan=[0 ts];[tt,xx]=ode45(ex3f,tspan,xk,[],para); %ode45解系统微分方程%xx有两列，第一列为tt时刻对应的y，第二列为tt时刻对应的y导数xk = xx(end,:); % a/d，提取xx中最后一行的值，即当前y和y导数yout(k)=xk(1); %xk(1)即为当前系统输出采样值y(k) e(k)=rin(k)-yout(k);%计算当前误差de(k)=(e(k)-e_1)/ts; %计算u(k)中微分项输出u(k)=20.0*e(k)+0.50*de(k);%计算当前u(k)的输出%控制信号限幅if u(k)>10.0u(k)=10.0;endif u(k)<-10.0u(k)=-10.0;end %更新u(k-1)和e(k-1)u_1=u(k);e_1=e(k);endfigure(1);plot(time,rin,r,time,yout,b);%输入输出信号图xlabel(time(s)),ylabel(rin,yout); figure(2);plot(time,rin-yout,r);xlabel(time(s)),ylabel(error);%误差图程序运行结果显示表1所示。
PID自动控制系统参数整定实验报告
T13. PID自动控制系统参数整定（化工仪表与自动化，指导教师：卢红梅）实验一：一阶单容上水箱对象特性测试实验实验二：上水箱液位PID整定实验一、实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
3）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
4）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
5）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
6）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
二、实验设备THKJ100-1型过程控制实验装置配置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。
型参数为串联釜数N三、实验原理实验一原理：阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过控制器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。
同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
实验二原理：图13.1单回路上水箱液位控制系统图13.1为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。
当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
PID控制参数对系统性能的影响研究
干扰；积分调节能够消除静态误差，但会使响应速度变慢，影响已有串联积分系统的稳定性。
关键词：PID控制；系统函数；根轨迹；稳定性
中图分类号：TP273
文献标识码：A
文章编号：2095-1302（2018）04-0095-04
0引言
PID（比例积分微分）控制自产生以来就一直是工业生产
中应用最广泛的控制方法，随着电子计算机和科学技术的发
DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2018.04.030
智能处理与应用
Intelligent Processing and Application
Hale Waihona Puke PID控制参数对系统性能的影响研究
余明亮，彭菊红
（湖北大学 计算机与信息工程学院，湖北 武汉 430062）
摘 要：文中基于Matlab仿真平台，采用阶跃响应分析法和根轨迹图研究了PID控制器的三个参数KP，KI，KD对控制系 统的影响。比例系数影响控制系统的调控速度与系统稳定性；微分调节可提高系统的相对稳定性，抑制超调，但会引入高频
PID各参数对系统的影响
PID各参数对系统的影响PID是一种常用的控制算法，它包括比例（P）、积分（I）、微分（D）三个参数，这些参数直接影响PID控制系统的性能以及反馈控制的稳定性。
下面将分别介绍这些参数对系统的影响：1. 比例参数（Proportional Gain，P）：比例参数控制器的作用是根据偏差的大小来调整控制器的输出信号。
较大的比例参数会导致更强的控制信号，从而更快地减小偏差。
然而，如果比例参数过大，系统可能会产生过冲、震荡甚至不稳定。
因此，在选择比例参数时需要权衡控制精度和系统稳定性之间的平衡。
2. 积分参数（Integral Gain，I）：积分参数控制器的作用是根据偏差的历史累积情况来调整控制器的输出信号。
积分参数能够消除稳态误差，使得系统能够更好地追踪参考信号。
然而，较大的积分参数可能会导致系统的响应变慢、不稳定或产生震荡。
因此，在选择积分参数时需要谨慎平衡稳定性和控制精度。
3. 微分参数（Derivative Gain，D）：微分参数控制器的作用是根据偏差的变化率来调整控制器的输出信号。
微分参数能够抑制系统的震荡，减少过冲，并提高系统的响应速度。
然而，过大的微分参数可能会引入噪声和振荡，因此需要谨慎选择微分参数。
这三个参数的组合可以调整PID控制器的响应特性。
例如，较大的比例参数可以加快系统的响应速度，但可能会导致过冲和超调；较大的积分参数可以消除稳态误差，但可能会导致响应过程的不稳定；较大的微分参数可以抑制过冲和振荡，但可能会引入噪声。
此外，这些参数还与系统的特性密切相关。
不同系统的响应特性不同，对这些参数的要求也不同。
例如，快速响应的系统可能需要较大的比例参数和微分参数，以提高响应速度和抑制振荡；而对于稳态精度要求较高的系统，积分参数可能需要较大的值。
另外，这些参数的选择也可以通过系统的实时调整来进行优化。
一种常用的调整方法是自适应控制，通过运用智能算法和优化算法，根据实际系统的响应特性和性能需求来自动调整PID参数。
数字pid控制实验报告doc
数字pid控制实验报告doc数字pid控制实验报告篇一：实验三数字PID控制实验三数字PID控制一、实验目的1．研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。
2．研究采样周期T对系统特性的影响。
3．研究I型系统及系统的稳定误差。
二、实验仪器1．EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2．PC计算机一台三、实验内容1．系统结构图如3-1图。
图3-1 系统结构图图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds）Gh（s）=（1－e-TS）/sGp1（s）=5/（（0.5s+1）（0.1s+1））Gp2（s）=1/（s（0.1s+1））2．开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图3-2和图3-3，其中图3-2对应GP1（s）,图3-3对应Gp2（s）。
图3-2 开环系统结构图1 图3-3开环系统结构图23．被控对象GP1（s）为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可系统变为“I型”系统，被控对象Gp2（s）为“I型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II 型”系统。
4．当r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程。
5．PI调节器及PID调节器的增益Gc（s）=Kp（1+K1/s）=KpK1(（1/k1）s+1) /s=K(Tis+1)/s式中 K=KpKi ,Ti=（1/K1）不难看出PI调节器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时，同时改变了闭环增益K，如果不想改变K,则应相应改变Kp。
采用PID调节器相同。
6．“II型”系统要注意稳定性。
对于Gp2（s）,若采用PI调节器控制，其开环传递函数为G（s）=Gc（s）·Gp2（s）=K（Tis+1）/s·(本文来自：/doc/a1e402b1c081e53a580216fc700abb 68a882ad33.html 小草范文网:数字pid控制实验报告)1/s（0.1s+1）为使用环系统稳定，应满足Ti>0.1，即K1 7．PID 递推算法如果PID 调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下：u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）其中 q0=Kp（1+KiT+（Kd/T））q1=－Kp（1+（2Kd/T））q2=Kp（Kd/T）T--采样周期四、实验步骤1.连接被测量典型环节的模拟电路(图3-2)。
PID控制参数调节对系统性能的影响
PID 控制参数对系统性能的影响1. 引言PID （比例积分微分）控制自产生以来就一直是工业生产中应用最广泛的控制方法，随着电子计算机和控制领域的发展，控制器的方案也在不断丰富，但由于PID 控制法（比例、积分、微分控制法）原理简单、适用性强和鲁棒性强等特点至今仍被广泛应用。
本文对不同的受控系统改变PID 调节的各参数，采用单位阶跃响应分析法和根轨迹法对PID 控制系统进行了仿真分析，旨在对PID 调节进行更加深入细致研究。
2. PID 控制原理仿真分析PID 是基于反馈理论的调节方式，通过对误差信号()e t 进行比例、积分和微分运算，再对结果进行适当处理，从而对被控对象进行调节控制，其主要结构如图1 所示。
PID 控制可以抽象为数学模型：()=I P c p D P P D I K K H s K sK K K T s s T s =++++ 式中P K ，I K ，D K 为常数。
我们需要通过设计这些参数使系统达到性能指标。
图1 PID 控制系统框图系统稳定性判据根轨迹法是分析和设计线性定常控制系统的图解方法，它是开环系统某一参数不断变化时，闭环系统特征方程根在S 平面上变化的轨迹。
当开环增益或其他参数改变时，其全部数值对应的闭环节点全部可在根轨迹图上确定。
系统的稳定性由系统闭环极点唯一确定，而系统的稳态性能和动态性能又与闭环零极点在S 平面上的位置密切相关，所以根轨迹不仅可以直接给出闭环系统时间响应的全部信息，还可指明开环零点、极点应该怎样变化才能满足给定闭环系统的性能指标要求。
若根轨迹全部在S 左半平面，则不论参数怎么变化系统都是稳定的；若根轨迹在虚轴上，则系统临界稳定；若根轨迹全部在S 右半平面，则系统是不稳定的；若根轨迹在整个S 平面，则系统稳定性与开环增益K 的大小有关。
比例（P ）控制对系统的影响 我们对系统021()(2)(3)G s s s =+⋅+ 调节不同的比例系数进行比例环节控制，则系统00()()()=()c P G s G s G s K G s =⋅⋅ 取P K =1，5，10，15，20和25，系统的单位阶跃响应如图2（a ）所示。
PID 控制器参数对控制性能的影响
1、比例系数K p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；；K p太小又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。
2、积分时间T I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：积分控制通常影响系统的稳定性。
T I太小，系统可能不稳定，且振荡次数较多；T I太大，对系统的影响将削弱；当T I较适合时，系统的过渡过程特性比较理想。
（2）对系统的稳态性能影响：积分控制有助于消除系统稳态误差，提高系统的控制精度，但若T I太大，积分作用太弱，则不能减少余差。
3、微分时间T D对系统性能的影响积分控制通常和比例控制或比例积分控制联合作用，构成PD控制或PID控制。
（1）对系统的动态性能影响：微分时间T D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T D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，有助于增加系统的稳定性。
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。
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AP1004405---邓文星
实验三 PID 控制器参数对系统性能的影响
在SIMULINK 动态仿真环境中，分别利用Continuous 和Math Operations 器件库中的元件，建立下图闭环PID 模拟控制仿真系统，分别验证PID 算式中
⎪⎪⎭
⎫
⎝
⎛++=⎰
dt t de T dt t e T t e K t u D
t
I P )()(1
)()(0
（一）比例系数 K P 对系统性能的影响； （二）积分时间常数 T I 对系统性能的影响； （三）微分时间常数 T D 对系统性能的影响。
闭环PID 模拟控制仿真系统仿真原理图
（一）比例系数 K P 对系统性能的影响
1.对动态特性的影响Kp=10；
输入波形：
输出波形：
静态误差波形：
Kp=100；偏大输入波形：
输出波形
静态误差波形：
Kp=500；太大输入波形：
输出波形：
静态误差波形：
✓比例系数加K P大，使系统的动作灵敏，速度加快。
✓K P偏大，则振荡次数增加，调节时间加长。
✓K P太大，系统会趋于不稳定。
✓K P太小，又会使系统动作缓慢。
2.对稳态误差的影响
Kp=5；
稳态误差图形
Kp=100稳态误差波形
✓加大比例系数K P，在系统稳定的情况下，可以减少稳态误差
e ss，提高控制精度。
✓但加大K P只是能够减少稳态误差e ss，不能完全消除稳态误差e ss。
（二）积分时间常数T I对系统性能的影响
1.对动态特性的影响
Kp=20；
Ti=0.5时
输入波形：
输出波形：
静态误差波形：
T i=1时
输入波形：
输出波形：
静态误差波形：
TI=200时
输出波形：
没有积分波形图：
✓T I太小时，系统将不稳定。
✓T I偏小，则系统振荡次数较多。
✓T I太大时，对系统性能的影响减少。
✓当T I合适时，过渡过程的特性则比较理想。
3.对稳态误差的影响
稳态误差波形图
T I=4；
I=200时
✓积分控制能消除系统的稳态误差e ss，提高控制系统的控制精度。
✓但若T I太大时，积分作用太弱，以至不能减少稳态误差e ss。
（三）微分时间常数T D对系统性能的影响
微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允
许加大比例控制，使稳态误差减少，控制精度提高。
Kp=100；Ti=10；
当Td=0.5时；
输入波形：
输出波形：
静态误差波形：
当T d=0.01时输入波形：
输出波形：
静态误差波形：
当Td=0.1时；输入波形：
输出波形：
静态误差波形：
✓T D偏大时，无超调量，调节时间较长。
✓T D偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。
✓当T D合适时，可以得到比较满意的过渡过程。
、、PID模拟系统全程图。