数字PID的仿真实验例子.ppt

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1、对对F(s)F(s)部分分式展开：部分分式展开：b=2 0 9 1;b=2 0 9 1;a=1 1 4 4;a=1 1 4 4;r,p,k=residue(b,a)r,p,k=residue(b,a)展开后得：展开后得：求求F(z)F(z)的反变换：的反变换：X=sym(z2/(z3-4*z2+5*z-2);X=sym(z2/(z3-4*z2+5*z-2);x=iztrans(X)x=iztrans(X)求求f(t)=1-ef(t)=1-e-at-at的的Z Z变换：变换：x=sym(1-exp(-a*t);x=sym(1-exp(-a*t);X=ztrans(x)X=ztrans(x)对对

2、用零阶保持器，在采样周用零阶保持器，在采样周期期Ts=1sTs=1s下离散化求下离散化求G(z)G(z)sys=tf(10,1 1 0);sys=tf(10,1 1 0);dsys=c2d(sys,1,zoh)dsys=c2d(sys,1,zoh)z,p,k=tf2zp（num，den)结果如结果如P123P123：G(z)G(z)：仿真实例仿真实例1 1：利用利用simulinksimulink中的比例、积分、微分，自己中的比例、积分、微分，自己搭建连续搭建连续PIDPID控制器，实现对上述对象的控控制器，实现对上述对象的控制，修改制，修改PIDPID参数观察其阶跃响应曲线变化，参数观察其阶

3、跃响应曲线变化，掌握掌握PIDPID各个部分对系统性能的影响。各个部分对系统性能的影响。仿真实例仿真实例2 2：利用利用simulinksimulink中的中的PIDPID控制器实现对上述对控制器实现对上述对象的控制，修改象的控制，修改PIDPID参数观察其阶跃响应曲参数观察其阶跃响应曲线变化。线变化。仿真实例仿真实例3 3：设被控对象为：设被控对象为输入信号是脉宽输入信号是脉宽20s20s、周期周期50s50s的脉冲信号。假的脉冲信号。假设常规设常规PIDPID控制器为：控制器为：采用微分先行采用微分先行PIDPID控制器，并设其中的控制器，并设其中的系统采用两种控制器的原理图如下：系统采用

4、两种控制器的原理图如下：仿真实例仿真实例4 4：设被控对象为：设被控对象为利用增量式利用增量式PIDPID，采用脚本编程实现对上面对象，采用脚本编程实现对上面对象的控制，并整定的控制，并整定PIDPID参数参数被控对象为被控对象为采用零阶保持器离散化，采样时间取采用零阶保持器离散化，采样时间取0.001s,0.001s,离离散化得：散化得：脚本：脚本：clear all;clear all;close all;close all;tsts=20;=20;sys=tf(1,60,1,inputdelay,80);sys=tf(1,60,1,inputdelay,80);dsysdsys=c2d(

5、sys,ts,zoh);=c2d(sys,ts,zoh);num,dennum,den=tfdata(dsys,vtfdata(dsys,v););u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0;u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0;y_1=0;y_2=0;y_3=0;y_1=0;y_2=0;y_3=0;error_1=0;error_2=0;error_1=0;error_2=0;eiei=0;=0;for k=1:1:200for k=1:1:200time(ktime(k)=k*)=k*tsts;yout(kyout(k)=-den(2)*y_1+num

6、(2)*u_5;)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5;%I separation%I separationrin(krin(k)=40;)=40;error(kerror(k)=)=rin(k)-yout(krin(k)-yout(k););eiei=ei+error(kei+error(k)*)*tsts;M=1;M=1;if M=1%Using integration separationif M=1%Using integration separation if if abs(error(kabs(error(k)=30&abs(error(k)=30&abs(error(k

7、)=20&abs(error(k)=20&abs(error(k)=10&abs(error(k)=10&abs(error(k)=110)=110 u(ku(k)=110;)=110;endendif if u(ku(k)=-110)=-110 u(ku(k)=-110;)=-110;endendu_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(ku(k););y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(kyout(k););error_2=erro

8、r_1;error_2=error_1;error_1=error_1=error(kerror(k););endendfigure(1);figure(1);plot(time,rin,b,time,yout,rplot(time,rin,b,time,yout,r););xlabel(time(s);ylabel(rin,youtxlabel(time(s);ylabel(rin,yout););figure(2);figure(2);plot(time,u,rplot(time,u,r););xlabel(time(s);ylabel(uxlabel(time(s);ylabel(u);

9、);2 2、抗积分饱和法、抗积分饱和法背景：背景：PIDPID控制器的输出由于积分作用不断累控制器的输出由于积分作用不断累加而加大加而加大,从而导致执行机构达到极限位置从而导致执行机构达到极限位置(如如阀门全开阀门全开),),若控制器输出继续增大若控制器输出继续增大,阀门开度阀门开度不可能再增大不可能再增大,此时就称计算机输出超出了正此时就称计算机输出超出了正常运行范围而进入了饱和区常运行范围而进入了饱和区.系统进入饱和后，系统进入饱和后，饱和越深，退饱和时间越长，系统超调就越大。饱和越深，退饱和时间越长，系统超调就越大。措施：对输出进行限幅，同时切除积分作用。措施：对输出进行限幅，同时切除积

10、分作用。算法：算法：仿真实例仿真实例:仿真实验仿真实验,采用图采用图(b)(b)结构的不完全微分结构的不完全微分,对象为对象为仿仿真真中中对对象象输输出出端端加加幅幅值值为为0.010.01的的随随机机信信号号.输输入入信信号号为为阶阶跃跃信信号号.对对象象在在不不完完全全微微分分PIDPID和和标标准准PIDPID作作用用下下的的输输出出响响应应分分别别见见仿仿真真程程序序D_partial.mD_partial.m和和partialD.mdlpartialD.mdl二、不完全微分二、不完全微分仿真举例：设被控对象为仿真举例：设被控对象为输入信号为带有高频干扰的方波信号输入信号为带有高频干扰

11、的方波信号:二、微分先行二、微分先行对象在微分先行对象在微分先行PIDPID作用和标准作用和标准PIDPID控制器作用下输入控制器作用下输入输出见仿真程序输出见仿真程序D_advance.mD_advance.m通过结构图的仿真见通过结构图的仿真见advanceD.maladvanceD.mal举例举例2 2：设被控对象为：设被控对象为输入信号是脉宽输入信号是脉宽20s20s、周期周期50s50s的脉冲信号。假的脉冲信号。假设常规设常规PIDPID控制器为：控制器为：采用微分先行采用微分先行PIDPID控制器，并设其中的控制器，并设其中的系统采用两种控制器的原理图如下：系统采用两种控制器的原理

12、图如下：系统采用两种控制器的输出响应波形如下：系统采用两种控制器的输出响应波形如下：试凑法试一种凭借经验整定参数的方法，试凑法试一种凭借经验整定参数的方法，让系统闭环，改变给定值以给系统施加干扰让系统闭环，改变给定值以给系统施加干扰信号，一边按信号，一边按 顺序调节，一顺序调节，一边观察过渡过程，直到满意为止。其过程如边观察过渡过程，直到满意为止。其过程如下：下：(1)(1)先调先调 :让系统闭环，使积分和微分不起让系统闭环，使积分和微分不起作用（作用（，），观察系统的响应，），观察系统的响应，若反映快、超调小，静差满足要求，则就用若反映快、超调小，静差满足要求，则就用纯比例控制器。纯比例控制

13、器。四、四、试凑法试凑法 (2)(2)调调 :若静差太大若静差太大，则，则加入加入 ，且同时使，且同时使 略下降（如降至原来的略下降（如降至原来的8080，因加入积分会使，因加入积分会使系统稳定性下降，故减小系统稳定性下降，故减小 ），），由大到小，由大到小，直到满足静差要求。直到满足静差要求。(3)(3)调调 :若系统动态特性不好，则加入若系统动态特性不好，则加入 ，同，同时使时使 稍微提升一点，稍微提升一点，由小到大，直到动态由小到大，直到动态满意。满意。工程实际中，以上几步反复操作，直到满意工程实际中，以上几步反复操作，直到满意为止。常见被调量的为止。常见被调量的PIDPID调节器参数选择范围如调节器参数选择范围如下表：下表：被调量被调量 特点特点 (m)(m)流量流量对象时间常数并有噪声对象时间常数并有噪声 12.50.11温度温度多容系统，有较大滞后多容系统，有较大滞后1.653100.53压力压力多容系统，滞后不大多容系统，滞后不大1.43.50.43液位液位允许有静差，允许有静差，1.255