PID控制器參數(shù)整定與分析

李輝 史榮珍

摘要：PID控制器又稱為“三項控制器”，主要由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)三部分組成，在控制策略中應(yīng)用十分廣泛。該文通過設(shè)計的PID控制器硬件電路對二階閉環(huán)系統(tǒng)進行控制，分別改變各環(huán)節(jié)參數(shù)分析系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)效果。并利用Simulink仿真，對PID控制器各環(huán)節(jié)參數(shù)進行整定與分析，從而得到使系統(tǒng)達到滿意性能的參數(shù)。

關(guān)鍵詞：PID控制器；參數(shù)整定；Simulink；自動控制原理

中圖分類號：TP15 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0243-0c

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1引言

PID控制是經(jīng)典控制理論部分的典型代表，具有廣泛的應(yīng)用性。PID控制有著結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點。PID控制的原理并不難，有難度的是各環(huán)節(jié)參數(shù)的整定。本文采用“試湊法”對PID控制器各環(huán)節(jié)參數(shù)進行整定。研究的目的是分析PID控制器各環(huán)節(jié)參數(shù)的改變對系統(tǒng)響應(yīng)效果的影響，從而比較方便地找到較優(yōu)的參數(shù)，提高系統(tǒng)的性能。

2理論基礎(chǔ)

PID控制器由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)三部分組成。其控制規(guī)律形式為：

3硬件電路實現(xiàn)參數(shù)整定

在PID控制器作用下的二階系統(tǒng)電路原理圖如圖1所示。

綜合以上各圖可以得出：增大[KP]，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，超調(diào)量增加，調(diào)節(jié)時間變長，震蕩增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。增大[Ti]，系統(tǒng)超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時間縮短，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。增大[Td]，系統(tǒng)超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時間縮短，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。

4 Simulink仿真及結(jié)果分析

Simulink仿真原理圖如圖5所示。分別改變比例系數(shù)[Kp]、積分系數(shù)[Ki]和微分系數(shù)[Kd]，分析參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。

調(diào)節(jié)[KP]。保持[Ki]=0.1、[Kd]=0.1。改變[KP]，[KP]分別取2、5.2、10.1時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖6所示。

根據(jù)圖6可得出，增大比例系數(shù)[KP]，會加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，在一定程度上減小穩(wěn)態(tài)誤差，但[KP]值需適當(dāng)，不宜過大，過大會增加系統(tǒng)的超調(diào)量，加劇系統(tǒng)的振蕩，使得調(diào)節(jié)時間變長。

調(diào)節(jié)[Ki]，保持[KP]=2，[Kd]=0.1。[Ki]分別取0.1、2、5時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖7所示。由圖7可得出，[Ki]增大，系統(tǒng)超調(diào)量增加，振蕩加劇，調(diào)節(jié)時間變長，但是在一定程度上減小了穩(wěn)態(tài)誤差。

調(diào)節(jié)[Kd]，保持[KP]=2，[Ki]=0.26。[Kd]分別取0.01、0.1、0.26時系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖8所示。根據(jù)圖8可得出，[Kd]的值增大，系統(tǒng)的超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時間縮短，但響應(yīng)速度會變慢。

綜上所述，可根據(jù)[Kp]、[Ki]、[Kd]各參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)時間、超調(diào)量和過渡時間等動態(tài)性能指標(biāo)的影響，選取較優(yōu)的參數(shù)，達到理想的控制效果。

5 結(jié)束語

仿真目前是一些先進自動化企業(yè)智能工廠建設(shè)目標(biāo)中數(shù)字化進程的重要體現(xiàn)，可以極大程度的減少元器件精確度的誤差，向智能化的目標(biāo)邁進一步。本文通過兩種途徑對PID控制器參數(shù)的整定進行了研究和分析。通過Simulink對系統(tǒng)進行仿真，可以方便地、直觀地模擬出各參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。根據(jù)分析結(jié)果，選取較優(yōu)的參數(shù)，以達到較好的控制效果。

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