计算机控制课程设计--PID控制算法的MATLAB仿真研究

1、 计算机控制课程设计报告 课程名称： 计算机控制技术 设计题目： PID 控制算的仿真研究 专 业： 自动化 班 级： 学号： 学生姓名： PIDPID 控制算法的控制算法的 MATLABMATLAB 仿真研究仿真研究 一、课程设计目的和要求课程设计目的和要求 1.1.目目的的 1)通过本课程设计进一步巩固 PID 算法基本理论以及数字控制器实现的认识和 掌握，归纳和总结 PIDPID 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， 提高学生对控制系统程序设 计的能力。 2.2.要求要求 通过查阅资料，了解 PIDPID 算法研究现状和研究领域，充

2、分理解设计内容，对 PIDPID 算法的基本原理与运用进行归纳和总结，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课程设计的基本内容及步骤 1. 1. 任务的提出任务的提出 在本课设计中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 ( ) 1 ds f K e G s T s ， 其中各参数分别为：30K ， 630 f T，60 d 。 本次课程设计使用PID控制算法， PID控制是将偏差的比例 （Proportional） 、 积分（Integral）和微分（Differential）三者通过线性组合构成控制量。 PID 控制是应用最广泛的一种控制规律。

3、在实际应用中，PID 调节器的实现分模 拟和数字两种方法。模拟法就是利用硬件电路实现 PID 调节规律。数字法就是对 经典的模拟 PID 进行了数字模拟，用数字调节器来代替模拟调节器。在采样周期 较小时，数字模拟 PID 控制算法是一种较理想的控制算法。数字 PID 控制在智能 检测与控制系统中是一种普遍采用的控制方法。 PID 控制器是一种线性控制器，其控制算法的模拟表达式是： dt tde Tdtte Ti teKtuDP )( )( 1 )()( （1） 式中：U(t) e(t) KP Ti 调节器的积分时间； TD调节器的微分时间； 在计算机控制系统中，使用的是数字 PID 控制器，数

4、字 PID 控制算法通常 又分为位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。 位置式 PID 控制算法：由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样 时刻的偏差值来计算控制量，因此上式中的积分项和微分项不能直接使用，需要 进行离散化处理，处理的方法是：取相当短的采样周期，用求和来代替积分、用 后项差分代替微分，为此可作如下变换： n j n j n jeTtjedtte 00 0 )()()( （2） T keke t keke dt tde)1()()1()()( （3） 由式 31、32、33 可得数字 PID 位置型控制算式为： )1()()()()( 0 keke T T je

5、 T T keKku n j D I P （4） 式中：T采样周期； k 采样序号，K=0，1，2 )(ku 第 K 次采样时微机输出； )(ke 第 K 次采样时的偏差值； )1(ke 第 K-1 次采样时的偏差值。 式（4）表示的控制算法提供了执行机构的位置控制量)(ku，)(ku直接控制 执行机构， 并且)(ku的值与执行机构的位置是一一对应的， 所以该算式被称为数 字 PID 位置型控制算式。 增量式 PID 控制算法：由于位置式 PID 控制算法要对偏差 e(k)进行累 加，这样不仅要占用较多的存储单元，而且还给编程造成一定麻烦，同时容 易产生累加误差；另一方面，该算法计算机输出的)(ku对应的是执行机构的 实际位置，如果计算机出现故障，)(ku的大幅度变化会引起执行机构位置的 大幅度误动作， 这种情况往往是生产实践中不允许的， 因此提出了增量式 PID 控制算法。 所谓增量式 PID 控制算法是指数字控制器的输出只是控制量的增 量)(ku。增量式 PID 控制算式可由位置式 PID 控制算式推倒得来。 由 4 式可写出前一时刻的输出量： )1()1(keKpku Ti T 1 0 )( k j je)2()1(keke T Td （5） 由 4 减去 5 式得到第 k 时刻的输出增量： )2()1(2)()()