汽車速度的PID控制器的仿真研究

李欣洋(朝陽工程技術學校,遼寧朝陽 122000)

汽車速度的PID控制器的仿真研究

李欣洋(朝陽工程技術學校,遼寧朝陽 122000)

隨著汽車的發展越來越快,汽車速度問題也逐漸凸顯出來,我們利用MATLAB 程序實現自動控制中PID 參數整定及仿真,本文通過MATLAB 編程語言實現仿真主要探討了在汽車運動控制系統中PID 參數的整定過程中MATLAB 仿真的應用。

PID控制器 汽車速度的控制 MATLAB仿真

1 PID控制

PID按照測量變送器送來的信號與給定值進行比較，得到偏差信號，并以預先設定的參數(比例系數、積分時間、微分時間)進行運算，且將運算結果送至執行器。因而PID控制中一個至關重要的問題，就是控制器三參數(比例系數、積分時間、微分時間)的整定。

PID調節器參數的整定一般都是通過試湊法反復運算才能確定，普遍存在計算量大的問題。我們使用了汽車的速度控制問題的闡明獲得的符合我們的設計規格的根軌跡方法。

PID控制器結構和算法簡單，應用廣泛，但參數整定方法復雜，通常用湊試法來確定。文中探討利用MATLAB實現PID參數整定及仿真的方法。

2 PID控制器的原理與算法

圖1是典型PID控制系統結構圖。在PID調節器作用下，對誤差信號分別進行比例、積分、微分組合控制。調節器的輸出作為被控對象的輸入控制量。

PID控制算法的模擬表達式為

相應的傳遞函數為

式1-2中KP為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。

圖1 典型PID控制系統結構圖

圖2 PID控制系統的階躍響應曲線

PID控制具有是3種單獨控制作用各自的優點，它除可提供一個位于坐標原點的極點外，還提供兩個零點，為全面提高系統動態和穩態性能提供了條件。式1-2中稱為PID控制器的積分時間；稱為PID控制器的微分時間。實際PID控制器的傳遞函數其中微分作用項多了一個慣性環節，這是因為實際元件很難實現理想微分環節。在控制系統中應用這種控制器時，只要KP、TI、TD配合得當得到好的控制效果。

3 速度控制器的設計方法

汽車速度控制器的設計方法除了試湊法外，還有另一種是MATLAB對PID控制器參數的整定。

本文是主要利用MATLAB仿真對PID控制器參數整定，并同時證明了MATLAB仿真作用在PID控制器參數整定中的優越性。由此證明了MATLAB仿真在控制系統的參數整定中有著一般試湊法不可比擬的優勢。利用MATLAB程序對實際系統的PID控制器參數進行仿真，大大減少了試湊法中反復修改參數、反復試運行的缺點，具有方便、快捷、省時、直觀的優點。

(1)利用MATLAB對PID參數進行整定和仿真，省去了傳統方法反復修改參數，反復試運行，方便、快捷、省時、直觀。(2)增大比例系數KP將加快系統的響應，有利于減小靜差，但是過大會使系統有較大的超調，使穩定性變壞；KP取值過小，會使系統的動作緩慢。(3)增大積分時間TI有利于減小超調，減小振蕩，使系統的穩定性增加，但系統靜差消除時間變長；若TI過小，系統的穩態誤差將難以消除，導致系統不穩定。(4)增大微分時間TD有利于加快系統的響應速度，使系統超調量減小，穩定性增加。但TD不能過大，否則會使超調量增大，調節時間較長；若TD過小，同樣超調量也增大，調節時間也較長。

4 PID控制器在汽車速度控制設計中的應用

控制器設計的最主要的問題是參數整定問題。在實際系統設計過程中，可以根據經驗數據，先設定各個參數取值范圍，然后利用MATLAB程序分析各個參數在設定范圍內的變化對系統的影響。最后結合經驗數據取值范圍和分析出的參數對系統的影響規律對PID參數取值，使參數配合達到良好的效果，最終使系統滿足性能指標要求。下面討論汽車運動系統中PID參量的變化對系統控制作用的影響。在討論一個參量的影響時，設其它參量為常數。

微分系數減小，系統響應速度越快；同時，超調量越大。是適當增大微分系數可以減小超調，改善系統動態性能。PID控制器比PI控制器的響應速度快，性能穩定。為了及時準確控制汽車起動時達到設計的性能要求，可以在其控制系統中加入PID控制，而PID控制器參數的選擇是設計要解決的主要問題。

5 結語

通過汽車速度控制器的仿真設計可知，在傳統的PID調節器中，確定KP、TI、TD3個參數的值，是對系統進行控制的關鍵。因此，控制最主要的問題是參數整定問題，在PID參數進行整定時，若有理論方法確定PID參數當然最為理想，但實際應用中，利用MATLAB強大的仿真工具箱的功能，可以方便地解決參數整定問題。

[1]王建輝,顧樹生.自動控制原理.清華大學出版社,2007.

[2]李秋紅,葉志峰,徐愛民.自動控制原理試驗指導.國防工業出版社,2007.

[3]王政林.Matab/simulink與控制系統仿真.北京:電子工業出版社,2006.

[4]薛定宇.反饋控制系統設計與分析—MATLAB語言應用.北京:清華大學出版社,2000.