二自由度PID仿真.doc-资料库

学校代码： 10128 学号： 200880191001 专业综合训练题目：二自由度 P I D 软件仿真学生姓名：德乐黑满达学系专班院：机械学院别：测控系业：测控技术与仪器级：测控 0 8 - 1 指导教师：徐永祥徐刚二〇一二年一月四日

摘要：由于 PID 调节器具有结构简单、稳态性好、可靠性高等优点，因而在工业控制领域中有着广泛的应用。但是为了克服常见 PID 控制器不能兼顾 “ 设定值跟踪 ”和“ 干扰抑制 ”特性俱佳的缺点，本人设计一种基于设定值滤波型二自由度 PID 控制方式的控制器，以提高控制效果。关键词： PID 控制；二自由度；设定值跟踪；干扰抑制；设定值滤波型

Abstract: As the PID controller has a simple structure, stable and high reliability, therefore has a broad field of industrial control applications. However, in order to overcome the common PID controller can not do both "setting track" and "interference suppression" at the same time , I design a Controller which is two degrees of freedom PID controller based on the filter settings to improve the effect of control.

目录第一章引言 -------------------------------------------------（ 1）第二章二自由度 PID 控制方式及其选择 --------------------------（ 2）一控制方式介绍 -------------------------------------------（ 2） 1.1 前馈型控制（专家式） ------------------------------（ 2） 1.2 设定值滤波型控制 -----------------------------------（ 2）二、控制方式的选择 -----------------------------------------（ 3）第三章被控对象的分析及 PID参数整定 ----------------------------（ 4）一、被控对象的分析 -----------------------------------------(4) 二、 PID 参数整定 --- --- -- --- -- --- --- -- --- -- --- -- --- --- -- -(4 ) 2． 1 PID 参数整定法 -------------------------------------(4) 2．2 整定法的选择 ------------------------------------(4) 2． 3 Ziegler-Nichol整定法整定 PID参数 ------------------(4) 第四章二自由度的选取 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ( 7 ) 一、控制效果的比较 -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ( 7 ) 二、二自由度的选择和二自由度化系数的确定 -----------------(10) 2.1 控制方式的选择 ------------------------------------(10) 2.2 二自由度化系数的确定 ------------------------------(10) 第五章二自由度 PID 软件仿真研究 ----------------------------(11) 一、仿真模型的分析 ----------------------------------------(11) 1.1 仿真模型 ------------------------------------------(11) 1.2 模型参数确定 --------------------------------------(11) 1.3 外加干扰信号 --------------------------------------(11) 二、二自由度 P I D 仿真结果 -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ( 1 2 ) 2.1 干扰前仿真曲线 ------------------------------------(12) 2.2 加干扰后仿真曲线 ----------------------------------(13) 2.3 仿真结果的分析 ------------------------------------(14) 第六章结论 --------------------------------------------------（ 15）参考文献 -----------------------------------------------------（ 15）

第一章引言 PID 控制方式是工业过程中最常见的控制方式。但是传统的 PID 控制器，根本做不到既能跟踪设定值又能抑制各种干扰。其原因在于传统的 PID 控制，只能设定一套 PID 参数，即所谓的一自由度 PID 控制。在这种控制中， PID 参数的整定只能是兼顾目标跟踪特性和抑制外干扰特性的一种折中处理方法。二自由度 PID 控制方式是在传统的一自由度 PID 控制中设法整定两套可以独立整定的 PID 参数，从而使受控系统的目标跟踪特性和干扰抑制特性能同时达到最佳状态的控制方式。在此理论基础上，人们发展了许多智能型 PID 控制器，如专家型 PID 控制器、模糊 PID 控制器、神经网络 PID 控制器、基于遗传算法的 PID 控制器等等。本文将用专家型二自由度 PID 控制方式来提升被控系统的控制效果。 - 1

第二章二自由度 PID 控制方式及其选择一、控制方式介绍 1.1 前馈型控制（专家式）目前实际应用的二自由度 PID 控制方式有前馈型和滤波型两种。当控制系统中被控对象的参数变化时，利用人工方法相应变化 PID 参数及二自由度化系数是相当繁琐的。为了克服这一难题人们设计出了一种前馈型二自由度 PID 即专家式自整定调节器。专家式调节器再利用阶跃响应法辨识出被控对象 G(s)的近似参数后根据整定公式求得使干扰抑制特性最佳的 PID 参数值，然后根据系统参数以及为满足系统不同品质要求所设定的超调量 δ 的大小，查找 α（比例尺增益二自由度化系数）、 β （积分时间二自由度化系数）矩阵表，得到相应 α 、 β 值，已使系统响应趋于最佳设定目标。本次设计被控对象已给定所以本文中将采用滤波型方式的结构设计控制器。故着重介绍滤波型方式的结构特点，对于前馈型不予详细描述。 1.2 设定值滤波型控制设定值滤波型二自由度 PID 控制结构是在传统的测量值微分先行 PID 结构上附加设定值滤波器构成的。其中滤波器的传递函数： H(s)=(1+ α Tis/(1+Tis)+Tis/(1+Tis)[(- β )/(1+Tis)+ γ Tds/(1+ η Tds) 式中 α 、 β 、 γ 分别为比例增益二自由度化系数（ 0≤ α ≤ 1）、积分时间二自由度化系数（ 0≤ β ≤ 1）和微分时间二自由度化系数（ 0≤ γ ≤ 1）， 1/η 为微分增益（ 0.1≤ η ≤ 1）。在系统中增大 α 值，系统响应上升时间将减小，超调量 δ 增加，适当增加 β 值，可在上升时间几乎不变的情况下减小超调量 δ ，而 γ 值的加入只会使阶跃响应效果变差．这是由于相当于微分作用的 γ ，值在给定值发生变化时会造成操作信号的急剧变化，因此一般采用仅 PI为二自由度的控制方式 (即令 γ =o)．而 α 、β ，γ 的加入或改变，不会影响系统的扰动响应，这也正是二自由度 P1D控制方式特性的体现．即首先设置使系统干扰抑制为最佳 - 2

的 PID参数，然后选择适当的二自由度化系数 α 、 β ， γ 使得系统的设定值跟踪特性和干扰抑制特性俱佳。二、控制方式的选择由于本次设计任务书中已经给定被控对象的传递函数，所以本次设计可以直接用设定值滤波型二自由度 PID设计实现题目要求。故选择设定值滤波型控制方式。 - 3

第三章被控对象的分析及PID参数整定一、被控对象的分析被控对象的传递函数为 G(s)=10e-0.5s/(2s+1)(8s+1) ,由结构分析得 G(s)=G0(s)· G1(s) ，且 G0(s)=10/（ 16s· s+10s+1）； G1(s)= e-0.5s，二、PID 参数整定 2． 1 PID 参数整定法 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、衰减曲线法和三种。两种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 2． 2 整定法的选择现在一般采用的是临界比例法。但采用临界比例度法的时候有个限制条件就是，被控对象的系统产生临界震荡的条件是系统的阶数是 3阶或 3阶以上。因设计任务中给定的被控对象产生临界震荡时候的最高阶次为 2，故此设计中选择了 Ziegler-Nichol 整定法。 2． 3 Ziegler-Nichol 整定法整定 PID参数 Ziegler-Nichol 整定法是基于频域设计 PI D 控制器的方法。基于频域 - 4

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