MATLAB中PI调节器设计,简单的PI控制器的设计.doc
1.原控制系统的仿真
原被控对象传递函数为
(1)
在matlab中对原系统进行仿真,可得到其在单位阶跃输入的条件下的响应。
clear;
num=10;
den=conv([1 1],[1 3 4]);
g1=tf(num,den);
t=0:0.1:20;
sys=feedback(g1,1);
step(sys,t);
grid;
figure(1)
所得单位阶跃响应如图一所示,由图中可以看出此系统的超调量为43.2%,调节时间为8.45s,并且存在比较大的稳态误差.
图一 原系统单位阶跃响应
利用PID算法改进系统性能
设计一个PID控制,使得超调量小于10%,调节时间小于3s,单位阶跃输入下的稳态误差为0.加入PID控制器后系统的传递函数为
(2)
采用临界比例度法整定调节参数,此法是先求临界比例度δk和临界周期Tk,根据经验关系求出各参数。先把积分时间调至=,微分时间=0,调节器只利用纯比例作用。在干扰作用下整定比例度,使被调参数产生振荡,调到等幅振荡为止,记下这时的临界比例值,及临界 周期值,根据经验计算各参数的整定值。
经验关系:
PI控制时: EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT (3)
PID控制时: EMBED Equation.KSEE3 \* MERGEFORMAT (4)
在SIMULINK中搭建如图2模型,通过调整比例参数,当比例系数为2.38时,产生等幅振荡,如图3所示。
图2.改进后的结构图
图3.单位阶跃响应图
用临界比例度法,根据图3得=2.38,=2.5,代入公式4中得kp=1.428,ki=0.8,kd=0.3125
代入公式2中编程,如下:
clear
kp=1.428;
ki=0.8;
kd=0.3125;
g1=tf([10*kp*kd 10*kp 10*kp*ki],[1 4 7 4 0]);
t=0:0.1:20;
sys=feedback(g1,1);
step(sys,t);
grid;
figure(1)
得单位阶跃响应图4,可以看出超调量为30.5%,调节时间为4.66,稳态误差为零。
图4.单位阶跃响应图
明显的,上述设计依然不满足设计要求,超调量过大,为了减少超调量,减少比例系数,经过调试,当kp=0.428时,编写程序仿真。
kp=0.428;
ki=0.8;
kd=0.3125;
g1=tf([10*kp*kd 10*kp 10*kp*ki],[1 4 7 4 0]);
t=0:0.1:20;
grid;
sys=feedback(g1,1);
step(sys,t);
grid;
figure(1)
得到图5
图5.单位阶跃响应
由图5可得,超调量为1.25%,调节时间为2.58,稳态误差为0,满足设计要求。
编写程序得到根轨迹图6和伯德图7.
clear
kp=0.428;
ki=0.8;
kd=0.3125;
g1=tf([10*kp*kd 10*kp 10*kp*ki],[1 4 7 4 0]);
t=0:0.1:20;
bode(g1);
figure(1)
rlocus(g1);
figure(2)
rlocus(g1)
图6.根轨迹图
图7.伯德图
3在系统稳定后加入干扰,如图8所示。
.
图8.加干扰的系统结构图
示波器的波形如图9所示。
图9.加扰动的单位阶跃响应图
由上图可知,在稳定后加入干扰,系统会出现波动,但马上又恢复到稳态,说明此系统具有一定的抗干扰能力。
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