PID控制算法的matlab仿真
PID控制算法及MATLAB仿真分析
题目：以PID控制进行系统仿真学院自动化学院专业班级工业自动化111班学生姓名黄熙晴目录1 引言 (1)1.1本论文研究内容 (1)2 PID控制算法 (1)2.1模拟PID控制算法 (1)2.2数字式PID控制算法 (3)2.3PID控制算法的改进 (5)2.3.1微分项的改进 (5)2.3.2积分项的改进 (9)2.4模糊PID控制算法 (11)2.4.1模糊推理的系统结构 (12)2.4.2 PID参数在线整定原则 (12)2.5PID控制器研究面临的主要问题 .................................. 错误！未定义书签。
3 MATLAB编程和仿真 (13)3.1PID控制算法分析 (13)3.2MATLAB仿真 (15)4结语 (20)参考文献...................................................................................... 错误！未定义书签。
1 引言PID控制器以其结构简单、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一。
光学表面等离子共振生物传感技术受温度影响很大，因此设计高精度的温度控制器对于生物分析仪十分重要。
研究PID的控制算法是PID控制器整定参数优化和设定的关键技术之一。
在工业过程控制中，目前采用最多的控制方式依然是PID方式。
它具有容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，同时它原理简单，参数物理意义明确，理论分析体系完整，并为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。
在实际的应用中，许多被控过程机理复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点，特别是在噪声、负载扰动等因素的影响下，参数复杂烦琐的整定过程一直困扰着工程技术人员。
为了减少参数整定的工作量，克服因环境变化或扰动作用造成系统性能的降低，就要提出一种PID控制参数的自动整定。
1.2本论文研究内容本文在介绍传统的PID控制算法，并对传统算法改进后，在学习的基础上提出一种模糊参数自整定方法，这种模糊控制的PID算法必须精确地确定对象模型。
实验三 数字式PID调节器控制算法仿真
实验三 数字式PID 调节器控制算法仿真一、实验目的1、了解并掌握基本的数字PID 控制算法和常用的PID 控制改进算法。
2、掌握用Matlab 进行仿真的方法。
3、了解PID 参数整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。
二、实验设备PC 机(Matlab 软件)三、实验原理1、基本的PID 控制算法：基本的数字P0控制有三种算法：位置式、增量式和速率式，其中应用最为广泛的是增量式，因为增量式算法只与最近几次采样值有关，不需要累加；计算机输出增量，误差动作时影响小。
因此这里采用增量式PID 算法：)]1()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=∆k e k e k e k k e k k e k e k k u d i p其中设)]1()([)(--=k e k e k k u p p)()(k e k k u i i =)]2()1(2)([)(-+--=k e k e k e k k u d d则)()()()(k u k u k u k u d i p ++=∆2、数字PID 调节器参数的整定：为使系统性能满足一定的要求，必须确定算法中各参数的具体值，这就是参数整定。
参数整定是十分重要的，调节系统参数整定的好坏直接影响调节品质。
要想快速、灵活的将参数整定好，首先应透彻理解这些参数对系统性能的影响：增大比例系数，一般将加快系统的响应，这在有静差系统中有利于减小静差，但过大会使系统有较大超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
增大积分时间(积分作用减弱)有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差消除的过程将随之减慢。
增大微分时间(微分作用增强)有利于加快系统响应，使超调减小，稳定性增加，但系统对扰动有较敏感的响应。
四、实验要求1、在Matlab 环境中，按照给定对象，构建仿真PID 控制系统。
2、调整PID 参数，观察各参数对系统响应的影响。
3、采用增量式PID 算法进行控制系统仿真，对各参数进行整定，观察系统响应曲线，直到获得满意的响应曲线。
基于matlab的pid控制仿真课程设计
这篇文章是关于基于Matlab的PID控制仿真课程设计的，主要内容包括PID控制的基本原理、Matlab的应用、课程设计的目的和意义、课程设计的具体步骤和具体操作步骤。
文章采用客观正式的语气，结构合理，旨在解释基于Matlab的PID控制仿真课程设计的重要性和实施方法。
1. 简介PID控制是一种常见的控制算法，由比例项（P）、积分项（I）和微分项（D）组成，可以根据被控对象的实际输出与期望输出的偏差来调整控制器的输出，从而实现对被控对象的精确控制。
Matlab是一种强大的数学建模与仿真软件，广泛应用于工程领域，尤其在控制系统设计和仿真方面具有独特优势。
2. PID控制的基本原理PID控制算法根据被控对象的实际输出与期望输出的偏差来调整控制器的输出。
具体来说，比例项根据偏差的大小直接调整输出，积分项根据偏差的积累情况调整输出，微分项根据偏差的变化速度调整输出。
三者综合起来，可以实现对被控对象的精确控制。
3. Matlab在PID控制中的应用Matlab提供了丰富的工具箱，其中包括控制系统工具箱，可以方便地进行PID控制算法的设计、仿真和调试。
利用Matlab，可以快速建立被控对象的数学模型，设计PID控制器，并进行系统的仿真和性能分析，为工程实践提供重要支持。
4. 课程设计的目的和意义基于Matlab的PID控制仿真课程设计，旨在帮助学生深入理解PID控制算法的原理和实现方法，掌握Matlab在控制系统设计中的应用技能，提高学生的工程实践能力和创新思维。
5. 课程设计的具体步骤（1）理论学习：学生首先需要学习PID控制算法的基本原理和Matlab在控制系统设计中的应用知识，包括控制系统的建模、PID控制器的设计原理、Matlab的控制系统工具箱的基本使用方法等。
（2）案例分析：学生根据教师提供的PID控制实例，在Matlab环境下进行仿真分析，了解PID控制算法的具体应用场景和性能指标。
（3）课程设计任务：学生根据所学知识，选择一个具体的控制对象，如温度控制系统、水位控制系统等，利用Matlab建立其数学模型，设计PID控制器，并进行系统的仿真和性能分析。
PID控制及其MATLAB仿真详细课件
1.3.5 积分分离PID控制算法及仿真
具体实现的步骤是： 1、根据实际情况，人为设定阈值ε＞0； 2、当∣e (k)∣＞ε时，采用PD控制，可避免产生 过大的超调，又使系统有较快的响应； 3、当∣e (k)∣≤ε时，采用PID控制，以保证系统 的控制精度。
G(s)
U (s) E(s)
k p 1
1 T1s
TD s
1.1 PID控制原理
PID控制器各校正环节的作用如下：
比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差 一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积 分作用的强弱取决于积分时间常数T,T越大，积分作用 越弱，反之则越强。 微分环节：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号 变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号， 从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
1)T )
e(k) e(k
1)
dt
T
T
1.3.1 位置式PID控制算法
可得离散表达式：
u(k
)
k
p
(e(k
)
T T1
k e( j) TD
j0
T
(e(k) e(k
1)))
k p e(k )
ki
k
e(
j0
j)T
kd
e(k )
e(k T
1)
式中，Ki=Kp/Ti,Kd=KpTd,T为采样周期，K为 采样序号，k=1,2,……,e (k-1)和e (k)分别为 第(k-1)和第k时刻所得的偏差信号。
PID控制算法的matlab仿真
PID 控制算法的matlab 仿真PID 控制算法就是实际工业控制中应用最为广泛的控制算法,它具有控制器设计简单,控制效果好等优点。
PID 控制器参数的设置就是否合适对其控制效果具有很大的影响,在本课程设计中一具有较大惯性时间常数与纯滞后的一阶惯性环节作为被控对象的模型对PID 控制算法进行研究。
被控对象的传递函数如下:()1d sf Ke G s T sτ-=+ 其中各参数分别为30,630,60f d K T τ===。
MATLAB 仿真框图如图1所示。
图12 具体内容及实现功能2、1 PID 参数整定PID 控制器的控制参数对其控制效果起着决定性的作用,合理设置控制参数就是取得较好的控制效果的先决条件。
常用的PID 参数整定方法有理论整定法与实验整定法两类,其中常用的实验整定法由扩充临界比例度法、试凑法等。
在此处选用扩充临界比例度法对PID 进行整定,其过程如下:1) 选择采样周期 由于被控对象中含有纯滞后,且其滞后时间常数为60d τ=,故可选择采样周期1s T =。
2) 令积分时间常数i T =∞,微分时间常数0d T =,从小到大调节比例系数K ,使得系统发生等幅震荡,记下此时的比例系数k K 与振荡周期k T 。
3) 选择控制度为 1.05Q =,按下面公式计算各参数:0.630.490.140.014p k i k d k s kK K T T T T T T ====通过仿真可得在1s T =时,0.567,233k k K T ==,故可得:0.357,114.17,32.62, 3.262p i d s K T T T ====0.0053.57p s i i p d d sK T K T K T K T ====按此组控制参数得到的系统阶跃响应曲线如图2所示。
010020030040050060070080090010000.20.40.60.811.21.41.61.8图2由响应曲线可知,此时系统虽然稳定,但就是暂态性能较差,超调量过大,且响应曲线不平滑。
matlab实现pid仿真
左图表示了本步骤的内容，以图片内 容为准。
sum的下面的符号变成了-，反馈回来 的信号相减，系统变成负反馈。
点击执行按钮，然后双击Scope，切 换到显示界面，出现熟悉的pid输出 波形。
双击pid控件可以调整PID的三个基本 参数，Proportional（比例常数）， Integral（积分常数），Derivative （微分常数）。
谢谢观看
《先进模糊智能复合经典PID控制理论与应用及其Matlab实现》是2019年7月首都经济贸易大学 出版社出版的图书，作者是刘经纬、朱敏玲、周瑞。
《过程控制系统的MATLAB仿真》是2009年机械工业出版社出版的图书，作者是刘文定。
《MATLAB控制系统仿真与设计》是2010年11月1日机械工业出版社出版的图书， 作者是赵景波。
打开matlab2009，新建一个模型文件， 点击“开始”->"Simulink">“Library Browser”，打开 simulink库。
左图表示了本步骤的内容，以图片内 容为准。
在“Simulink Library Browser” 的库列表中找到“Simulink Extras”，点击右侧的“Additional Linear”。
我们试试将积分常数改为100，然后 再次运行，在Scope中点击 “Autoscale”，可以看到输出由平 滑变得震荡起来了。
左图表示了本步骤的内容，以图片内 容为准。
可以试着自己调整下PID的各个参数， 看看效果，加深理解。
用step信号做pid的输入信号效果会更明显些。
MATLAB/Simulink与控制系统仿真（第3版）是2012-01-01电子工业出版社出版的图书，由王正 林,王胜开,陈国顺等编著。
PID控制算法的MATLAB仿真研究
目录一、课程设计的目的和要求.............................................. - 3 -二、课程设计的基本内容及步骤 ..................................... - 3 -三、设计过程...................................................................... - 4 -四、小结............................................................................. - 11 - 参考资料................................................................................ - 11 -一、课程设计的目的和要求1．目的（1）通过本课程设计进一步巩固PID算法基本理论及数字控制器实现的认识和掌握，归纳和总结PID控制算法在实际运用中的一些特性。
（2）熟悉MATLAB语言及其在控制系统设计中的应用，提高学生设计控制系统程序的能力。
2．要求通过查阅资料，了解PID算法的研究现状和研究领域，充分理解设计内容对PID算法的基本原理与运用归纳和总结，并独立完成设计实验和总结报告。
二、课程设计的基本内容及步骤1．任务的提出采用带纯滞后的一阶惯性环节作为系统的被控对象模型，传递函数为G(s)= Ke−τd s，其中各参数分别为K=30,T f=630,τd=60。
对PID控制算法的仿1+T f s真研究可以从以下四个方面展开。
(1)PID控制器调节参数K p、K I、K D的整定。
PID参数的整定对控制系统能否得到较好的控制效果是至关重要的，PID参数的整定方法有很多种，可采用理论整定法（如ZN法）或者实验确定法（如扩充临界比例度、试凑法等），也可采用模糊自适应参数整定、遗传算法参数整定等新型的PID 参数整定方法。
控制系统pid参数整定方法的matlab仿真
控制系统PID参数整定方法的MATLAB仿真1. 引言PID控制器是一种常见的控制算法，广泛应用于自动控制系统中。
其通过调节三个参数：比例增益（Proportional gain）、积分时间常数（Integral time constant）和微分时间常数（Derivative time constant），实现对被控对象的稳态误差、响应速度和稳定性等性能指标的调节。
PID参数的合理选择对控制系统的性能至关重要。
本文将介绍PID控制器的经典整定方法，并通过MATLAB软件进行仿真，验证整定方法的有效性。
2. PID控制器的整定方法2.1 手动整定法手动整定法是根据经验和试错法来选择PID参数的方法。
具体步骤如下：1.将积分时间常数和微分时间常数设为零，仅保留比例增益，将比例增益逐渐增大直至系统产生较大的超调现象。
2.根据超调响应的情况，调整比例增益，以使系统的超调量接近所需的范围。
3.逐步增加微分时间常数，观察系统的响应速度和稳定性。
4.增加积分时间常数，以减小系统的稳态误差。
手动整定法的优点是简单易行，但需要经验和反复试验，对控制系统要求较高。
2.2 Ziegler-Nichols整定法Ziegler-Nichols整定法是一种基于试探和试错法的自整定方法，该方法通过调整系统的输入信号，观察系统的输出响应，从而确定PID参数。
具体步骤如下：1.将I和D参数设为零，仅保留P参数。
2.逐步增大P参数，直到系统的输出出现大幅度的振荡。
3.记录下此时的P参数值，记为Ku。
4.根据振荡的周期Tp，计算出系统的临界增益Kc = 0.6 * Ku。
5.根据系统的类型选择相应的整定法则：–P型系统：Kp = 0.5 * Kc，Ti = ∞，Td = 0–PI型系统：Kp = 0.45 * Kc，Ti = Tp / 1.2，Td = 0–PID型系统：Kp = 0.6 * Kc，Ti = Tp / 2，Td = Tp / 82.3 Cohen-Coon整定法Cohen-Coon整定法是基于频域曲线拟合的方法，主要应用于一阶和二阶系统的整定。
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PID 控制算法的matlab 仿真
PID 控制算法是实际工业控制中应用最为广泛的控制算法，
它具有控制器设计简单，控制效果好等优点。
PID 控制器参数的设置是否合适对其控制效果具有很大的影响，在本课程设计中一具有较大惯性时间常数和纯滞后的一阶惯性环节作为被控对象的模型对PID 控制算法进行研究。
被控对象的传递函数如下：
()1d s
f Ke G s T s
τ-=
+ 其中各参数分别为30,630,60f d K T τ===。
MATLAB 仿真框图如图1所示。
图1
2 具体内容及实现功能
2.1 PID 参数整定
PID 控制器的控制参数对其控制效果起着决定性的作用，合理设置控制参数是取得较好的控制效果的先决条件。
常用的PID 参数整定方法有理论整定法和实验整定法两类，其中常用的实验整定法由扩充临界比例度法、试凑法等。
在此处选用扩充临界比例度法对PID 进行整定，其过程如下：
1) 选择采样周期 由于被控对象中含有纯滞后，且其滞后时间常数为
60d τ=，故可选择采样周期1s T =。
2) 令积分时间常数i T =∞，微分时间常数0d T =，从小到大调节比例系数K ，
使得系统发生等幅震荡，记下此时的比例系数k K 和振荡周期k T 。
3) 选择控制度为 1.05Q =，按下面公式计算各参数：
0.630.490.140.014p k i k d k s k
K K T T T T T T ====
通过仿真可得在1s T =时，0.567,233k k K T ==，故可得：
0.357,114.17,32.62, 3.262p i d s K T T T ====
0.0053.57
p s i i p d d s
K T K T K T K T ===
=
按此组控制参数得到的系统阶跃响应曲线如图2所示。
01002003004005006007008009001000
0.20.40.60.811.21.41.6
1.8
图2
由响应曲线可知，此时系统虽然稳定，但是暂态性能较差，超调量过大，且响应曲线不平滑。
根据以下原则对控制器参数进行调整以改善系统的暂态过程：
1) 通过减小采样周期，使响应曲线平滑。
2) 减小采样周期后，通过增大积分时间常数来保证系统稳定。
3) 减小比例系数和微分时间常数，以减小系统的超调。
改变控制器参数后得到系统的阶跃响应曲线如图3所示，系统的暂态性能得到明显改善.
01002003004005006007008009001000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
图3
最终，选择采样周期为1s T =，PID 控制器的控制参数为：
0.25,0.001,3p i d K K K ===
此时，系统的超调量为27.7%p M =，上升时间为135r t =，调整时间为
445s t =。
稳态误差为0ss e =。
2.2 模型失配对PID 控制器控制效果的影响
实际中，由于建模误差以及被控对象的参数变化，都会使得被控对象传递函数参数不准确。
一个性能优良的控制器应该在系统参数发生变化时依然具有良好的控制性能，既具有较强的鲁棒性。
PID 控制器的鲁棒性强弱是由控制器参数确定后系统的稳定裕度决定的。
下面通过仿真分析被控对象参数变化时PID 控制器的控制效果。
当被控对象的比例系数增大5%时，系统的单位阶跃响应曲线如图4所示，此时系统的个暂态性能指标为：
29.9%,129,410p r s M t t ===
相对参数未变时单位阶跃响应而言，系统的超调量增大，上升时间和调整时间都减小，但是，各性能指标的变化量都比较小。
这是因为，被控对象的比例系数增大使得系统的开环增益变大，故而系统响应的快速性得到提高，但超调量也
随之增大。
从被控对象的比例系数变化时系统的单位阶跃响应可知，当被控对象的比例系数在一定范围内变化时，对PID 控制器的控制效果不会产生太大影响。
01002003004005006007008009001000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
图4
当被控对象的惯性时间常数增大5%时，系统的单位阶跃响应曲线如图5所示，此时系统的个暂态性能指标为：
26.4%,175,475p r s M t t ===
01002003004005006007008009001000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
图5
相对参数未变时单位阶跃响应而言，被控对象的惯性时间常数增大使得系统的响应速度变慢，故而，使得系统的超调量减小，上升时间和调整时间都增大。
又各性能指标的变化量都比较小，故可知，当被控对象的惯性时间常数在一定范围内变化时，对PID 控制器的控制效果不会产生太大影响。
当被控对象的纯滞后时间常数增大5%时，系统的单位阶跃响应曲线如图6所示，此时系统的个暂态性能指标为：
31.5%,135,415p r s M t t ===
01002003004005006007008009001000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
图6
2.3 非线性对PID 控制器控制效果的影响
图7
实际的控制系统中往往存在非线性，如执行机构的非线性。
系统的非线性将会对控制器的控制效果产生影响，下面通过仿真研究非线性对PID 控制器控制效果的影响。
在原控制系统仿真框图中控制器输出后加饱和非线性环节，得到图7所示的框图。
在保持其它参数不变的情况下得到其阶跃响应曲线如图8所示。
从响应曲线可知，加入非线性环节后，系统的超调量、上升时间、调整时间均增大，控制
效果变坏。
01002003004005006007008009001000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
图8
2.4 扰动对PID 控制器控制效果的影响
实际的控制系统中，被控对象和检测通道往往会受到多种因素的影响，从而对控制效果产生影响，下面分别以加在前向通道和反馈通道上的脉冲扰动和阶跃扰动为例探讨扰动对控制系统的影响。
1) 前向通道上的扰动对控制效果的影响：
在前向通道上控制器输出之后加脉冲扰动和阶跃扰动信号时系统的响应曲线分别如图9和图10所示。
由响应曲线可知，系统达到稳态后，前向通道上的扰动信号将使得控制系统的输出产生波动，但通过控制器的作用，控制系统经过一个过渡过程后将会恢复原来的稳定状态。
0100200300400500600700800900
10000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
图9
02004006008001000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
图10
2) 反馈通道上的扰动对控制效果的影响：
在反馈通道上加脉冲扰动和阶跃扰动信号时，控制系统的响应曲线分别如图11和图12所示.由响应曲线可知，控制系统输出随着反馈通道上的扰动变化而变化，且由反馈通道上的扰动引起的误差不能被消除。
但是当扰动消失时，控制系统也恢复原来的稳定状态。
0100200300400500600700800900
10000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
图11
0100200300400500600700800900
10000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
图12
3 分析与总结。