PID控制及matlab仿真
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控制器MATLAB仿真
实验4 PID 控制器一、 实验目的1. 了解PID 控制器中P ，I ，D 三种基本控制作用对控制系统性能的影响。
2. 进行PID 控制器参数工程整定技能训练。
二、实验内容：题目1 了解P 、I 、D 三种控制器的作用：． )11(s T sT K G d i p c ++= 已知被控对象传递函数为3)1(1+sA 获取比例系数为1的系统阶跃响应曲线；实验步骤：在matlab 命令窗口中键入： clcclear allg0=tf(1,conv([1 2 1],[1 1])); kp=1;sys=feedback(kp*g0,1); step(sys);legend('Kp=1');grid on 运行得到的图象如图一：Step ResponseTime (sec)A m p l i t u d e图一B 调节比例系数，分析p K 过大和过小对系统动态性能(s p t t ,,σ)有何影响？稳态性能(稳定/ss e )的影响；实验步骤：在matlab 命令窗口中键入： clcclear allg0=tf(1,conv([1 2 1],[1 1])); kp=0.1:0.6:3;for i=1:length(kp)sys=feedback(kp(i)*g0,1); step(sys);legend('first','second','third','four','five'); grid on hold onend 运行之后得到的图象如图二：0246810121416180.10.20.30.40.50.60.70.80.91Step ResponseTime (sec)A m p l i t u d e图二分析：图二中绘制了Kp 从0.1到3时的系统单位阶跃响应曲线，可以看到，当比例作用增大时，闭环系统稳态误差变小，响应的震荡加剧，响应速度变快。
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。
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。
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。
PID控制算法的MATLAB仿真应用
PID控制算法的MATLAB仿真应用首先，我们需要了解PID控制算法的原理。
PID控制算法由比例控制、积分控制和微分控制三部分组成。
比例控制是根据误差信号的大小与输出信号的差异来调节控制器输出信号的增益。
积分控制是根据误差信号的累积值来调节控制器输出信号的增益。
微分控制是根据误差信号的变化率来调节控制器输出信号的增益。
PID控制算法的输出信号可以表示为：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t) dt + Kd * de(t)/dt其中，e(t)是系统输入与目标值之间的误差信号，u(t)是控制器的输出信号，Kp、Ki和Kd分别是比例增益、积分增益和微分增益。
在MATLAB中使用PID控制算法进行仿真应用，可以按照以下步骤进行：1. 创建一个Simulink模型，可以通过在命令窗口中输入simulink打开Simulink库，然后从库中选择合适的模块进行建模。
在模型中，需要包括被控对象、PID控制器和反馈信号。
2. 配置PID控制器的参数。
在Simulink模型中，可以使用PID Controller模块配置PID控制器的参数，包括比例增益、积分增益和微分增益。
3. 配置被控对象的模型。
在Simulink模型中，可以使用Transfer Fcn模块来建立被控对象的传递函数模型，包括系统的输入和输出端口，以及系统的传递函数。
4. 配置反馈信号。
在Simulink模型中，可以使用Sum模块将被控对象的输出信号和控制器的输出信号相加，作为反馈信号传递给PID控制器。
5. 运行Simulink模型进行仿真。
在Simulink中，可以选择仿真的时间范围和时间步长，然后点击运行按钮开始仿真。
仿真结果可以在模型中的Scope或To Workspace模块中查看和分析。
6.通过调整PID控制器的参数来优化系统的稳定性和响应速度。
根据仿真结果，可以逐步调整PID控制器的比例增益、积分增益和微分增益，以达到期望的控制效果。
基于MATLAB的PID控制器参数整定及仿真
基于MATLAB的PID控制器参数整定及仿真PID控制器是一种经典的控制器，在工业自动化控制系统中广泛应用。
其主要功能是根据系统的误差信号，通过调整输出信号的比例、积分和微分部分来减小误差，并达到系统的稳定控制。
PID控制器参数整定是指确定合适的比例常数Kp、积分常数Ki和微分常数Kd的过程。
本文将介绍基于MATLAB的PID控制器参数整定及仿真的方法。
首先，在MATLAB中建立一个包含PID控制器的模型。
可以通过使用MATLAB的控制系统工具箱来实现这一过程。
在工具箱中，可以选择合适的建模方法，如直接设计模型、积分节点模型或传输函数模型。
通过这些工具，可以方便地建立控制系统的数学模型。
其次，进行PID控制器参数整定。
PID控制器参数整定的目标是通过调整比例常数Kp、积分常数Ki和微分常数Kd，使系统的响应特性达到最佳状态。
常用的PID参数整定方法有经验法、试误法、Ziegler-Nichols方法等。
1.经验法：根据系统的特性和经验，选择合适的PID参数。
这种方法常用于初步整定，但可能需要根据实际情况调整参数。
2.试误法：通过逐步试验和调整PID参数，使系统的输出响应逐渐接近期望值，从而达到最佳控制效果。
3. Ziegler-Nichols方法：该方法是一种经典的系统辨识方法，通过测试系统的临界稳定性，得到系统的传递函数参数，并据此计算出合适的PID参数。
最后，进行PID控制器参数整定的仿真。
在MATLAB中，可以通过使用PID模块进行仿真。
可以输入相应的输入信号和初始参数，观察系统的输出响应，并通过调整参数，得到最佳的控制效果。
总结起来，基于MATLAB的PID控制器参数整定及仿真的过程包括：建立控制系统模型、选择PID参数整定方法、进行PID参数整定、进行仿真实验。
PID控制器参数整定的好坏直接影响控制系统的工作性能。
通过基于MATLAB的仿真实验，可以方便地调整和优化控制系统的PID参数，提高系统的响应速度、稳定性和抗干扰性能。
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广东工业大学自动化学院 李明
一个简单PID控制的实例
冲热水淋浴，假定冷水龙头开度保持不变，只调节热水
比例关系
• 根据具体的龙头和水压，温度高一度，热水需要关小一定的量，
比如说，关小一格。换句话说，控制量和控制偏差成比例关系， 偏差越大，控制量越大
Ki 1 G ( s ) K K 1 p p • 比例积分(PI)控制器 c s T s i
• 为避免纯微分运算，常常用一阶超前环节去近似纯微分环节
Ts 1 Gc ( s) K p 1 d Ti s Td s 1 N
控控控控
PID
控控 控控控
G3 26347 s 599
控控控控控控 控控控控
G1 59 s 59
控控控控 控控控控
G2 13.33 s
控控控控
G4
控控控控
5.2
控控 控控
0.0118
控控控控控控
图2 某电机转速控制系统示意图
• 比例微分(PD)控制 Gc (s) Kp Kds Kp 1 Tds Ki 1 G ( s ) K K s K 1 T s p d p d • 比例积分微分(PID)控制器 c s Ti s
式中，N→∞时，则为纯微分运算。实际中，N不必过大，一般 N=10，就可以逼近实际的微分效果。
PID控制器的表达式
PID控制器的时域表达式
• 如图1所示，连续PID控制器的一般表达式为
de(t ) 1 u(t ) K p e(t ) Ki e( )d Kd K p e(t ) o dt Ti
t
t
o
e( )d Td
de(t ) dt
要求
• • • • 当Ti →∞， Td =0时，称为比例(P)控制器； 当Td =0时，称为比例积分(PI)控制器； 当Ti →∞时，称为比例微分(PD)控制器； 当Ti ≠∞，Td ≠0时，称为比例积分微分(PID)控制器
• Kp,Ti,Td三个参数一旦确定，PID控制器控制偏差有正有负，全看实际测量值是大于还是小于设定值，所
以只要控制系统是稳定的，也就是实际测量值最终会稳定在设定 值上，控制偏差的累积不会是无穷大的
• 积分控制的基本作用是消除控制偏差的余差（也叫残差）
一个简单PID控制的实例
微分关系
• 如果水管水温快速变化，人们会根据水温的变化调节热水龙头：
PID控制器的传递函数 • 仍然参照图1，对PID的时域表达式进行拉普拉斯变换，可得 K E( s) 1 Gc ( s) K p i Kd s K p 1 Td s U( s) s Ti s
• 于是可得几种控制方案的控制器传递函数分别为
• 比例(P)控制器 Gc ( s) K p
水温升高，热水龙头向关闭方向变化，升温越快，开启越多；水 温降低，热水龙头向开启方向变化，降温越快，关闭越多。这就 是所谓的微分控制规律
• 因为控制量和实际测量值的变化率成正比，其比例因子就称为微
分控制增益，工业上也称微分时间常数。微分时间常数没有太特 定的物理意义，只是类似积分时间常数的名称
• 微分控制的重点不在实际测量值的具体数值，而在其变化方向和
PID参数对控制性能的影响
PID参数对控制性能的影响
• PID控制器的Kp,Ti,Td三个参数的大小决定了PID控制器的比例、
积分、微分控制作用的强弱
• 下面举例分别分析Kp,Ti,Td三个参数中一个参数发生变化而另两
个参数保持不变时，对系统控制性能的影响。
PID参数对控制性能的影响
例1 以电机转速控制系统为例，分析PID参数对控制性能的影响 某电机转速控制系统如图2所示，采用PID控制器。试绘制系统单 位阶跃响应曲线，分析Kp, Ti, Td三个参数对控制性能的影响。
• 式中， Kp为比例控制增益、Ki为积分控制增益，Kd为微分控制增 益，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数
控控控 r(t) e(t) Gc(s) u(t) 控控控控 G(s) y(t)
图1 单位负反馈控制系统示意图
PID控制器的表达式
PID控制器的时域表达式
• PID控制器通过对误差信号e(t)的加权计算，得到控制信号u(t)， 驱动受控对象，使得误差e(t)按减少的方向变化，从而达到控制
变化速度
• 微分控制在理论上和实用中有很多优越性，但局限也是明显的。
如果测量信号存在扰动，微分控制就会产生很多不必要甚至错误 的控制信号。所以工业上对微分控制的使用是很谨慎的
PID控制器简介
P r(t) _
K p e( t )
Ki e( )d
0 t
I
Object
y(t)
D
Kd
de(t ) dt
• 控制偏差就是实际测量值和设定值或目标值之差。在比例控制规
律下，偏差反向，控制量也反向。也就是说，如果淋浴水温要求 为四十度，实际水温高于四十度时，热水龙头向关闭的方向变化； 实际水温低于四十度时，热水龙头向开启的方向变化。
• 控制量=比例控制增益* 控制偏差
一个简单PID控制的实例
积分关系
PID控制器（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三个参数的设定完成控制律的设 计。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
然后把这个差别用于计算新的控制量，目的是可以让系统的输出达到 或者保持在参考值
PID控制器的输入一般是系统输出与一个参考值的差值即控制偏差，
• 但是比例控制规律并不能保证水温能够精确达所需控制的温度。
人们这时对热水龙头作微调，只要水温还不合适，就一点一点地 调节，直到水温合适为止。这种只要控制偏差不消失就渐进微调 的控制规律，在控制里叫积分控制规律
• 因为控制量和控制偏差在时间上的累积成正比，其比例因子就称
为积分控制增益。工业上常用积分控制增益的倒数，称其为积分 时间常数，其物理意义是偏差恒定时，控制量加倍所需的时间