基于MATLAB仿真的PID控制器设计毕业设计

基于 MATLAB 仿真的 PID 控制器设计 摘 要 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个 PID 控制器。PID 控制是迄今为止最通用的控制方法， 大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID 控制器(亦称调节器)及其改进型因此成为工 业过程控制中最常见的控制器 (至今在全世界过程控制中用的 84%仍是纯 PID 调节器，若改进型包含 在内则超过 90%)。在 PID 控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对 PID 参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的 MATLAB 仿真系统。本设计就是 借助此软件主要运用 Relay-feedback 法，线上综合法和系统辨识法来研究 PID 控制器的设计方法，设 计一个温控系统的 PID 控制器，并通过 MATLAB 中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输 出波形。 关键词关键词： PID 参数整定 ；PID 控制器 ；MATLAB 仿真；冷却机； Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control up until now; the great majority feedback loop is controlled by this or its small deation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic on the line to study pid controller design , design a pid controller of temperature control system and observe the output wave while step signal through virtual oscilloscope after system completed. Keywords: PID parameter setting ；PID controller； MATLAB simulation；cooling machine 目 录 摘 要.I ABSTRACTII 第一章 绪 论1 1.1 课题来源及 PID 控制简介.1 1.1.1 课题的来源和意义 1 1.1.2 PID 控制简介.1 1.2 国内外研究现状及 MATLAB 简介3 第二章 控制系统及 PID 调节5 2.1 控制系统构成5 2.2 PID 控制5 2.2.1 比例、积分、微分 5 2.2.2 Ｐ、Ｉ、Ｄ控制 7 第三章 系统辨识9 3.1 系统辨识.9 3.2 系统特性图.10 3.3 系统辨识方法11 第四章 PID 最佳调整法与系统仿真14 4.1 PID 参数整定法概述.14 4.2 针对无转移函数的 PID 调整法15 4.2.1 RELAY FEEDBACK 调整法15 4.2.2 RELAY FEEDBACK 在计算机做仿真.15 4.2.3 在线调整法 19 4.2.4 在线调整法在计算机做仿真 20 4.3 针对有转移函数的 PID 调整方法.23 4.3.1 系统辨识法 24 4.3.2 波德图法及根轨迹法 27 第五章 油冷却机系统的 PID 控制器设计28 5.1 油冷却机系统28 5.1.1 油冷却机 28 5.1.2 感测与转换器 29 5.1.3 控制组件 30 5.2 油冷却机系统之系统辨识.31 5.3 油冷却机系统的 PID 参数整定33 结 论40 致 谢.41 参考文献.42 第一章 绪 论 1.1 课题来源及 PID 控制简介 1.1.1 课题的来源和意义 任何闭环的控制系统都有它固有的特性，可以有很多种数学形式来描述它， 如微分方程、传递函数、状态空间方程等。但这样的系统如果不做任何的系统 改造很难达到最佳的控制效果，比如快速性稳定性准确性等。为了达到最佳的 控制效果，我们在闭环系统的中间加入 PID 控制器并通过调整 PID 参数来改造 系统的结构特性，使其达到理想的控制效果。 1.1.2 PID 控制简介 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分： 测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节 控制系统的响应。 这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能 更好地纠正系统，PID (比例 - 积分 - 微分)控制器作为最早实用化的控制 器已有 50 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。 PID 控制器简 单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控 制器。 PID 控制器由比例单元( P ) 、积分单元( I )和微分单元( D )组成。 其输入 e (t) 与输出 u (t) 的关系为公式(1-1) 公式(1-1) 因此它的传递函数为公式(1-2) 公式(1-2) 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立 即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大 的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节 就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一个常值。积分作用的强弱取决 与积分时间常数 Ti，Ti 越小,积分作用就