软件设计高月

软件设计报告 班 级：自控1105班 姓 名：高月 学 号：2011014152 目录目录2一、题目3二、原理41、增量式PID控制原理42、继电法整定PID参数4三、程序设计71、程序设计详单7（1）增量式PID控制程序7（2）整定9四、结果展示与分析 9 五、体会11 六、参考文献12一、题目题目10：连铸机拉矫辊的液压压下装置是一个电液伺服系统，是实现复杂自动控制动作的关键，在冶金行业中有着广泛的应用。通过机理分析可知，该电液伺服控制系统实际是一个非线性控制系统，经过线性化处理后，其传递函数形式为：根据现场实测数据可知，该液压压下控制系统中增益K8，阻尼比0.3，固有频率200rad/s。该系统常采用PID控制，其中PID参数的选取对控制效果的影响至关重要。控制目标是实现对压力的连续可调，超调小，并保证无静态误差。控制要求：1. 采用增量式 PID 控制算法实现炉温控制2. 采用继电法整定PID参数3. 整定效果验证：当工作时间到达200s时，输出端出现宽度为50s，幅值为0.4的干扰时，讨论PID控制的抗扰动性，说明上述PID参数是否选取合适。二、原理1、增量式PID控制原理在工业控制中，按偏差的比例、积分、微分进行控制的PID控制具有原理简单，易于、适用面较宽等优点，多年来一直是应用最广泛的一种控制器。在本设计中，运用程序编写控制方案。由于计算机控制系统在时间上是离散的，控制器每隔一个控制周期进行一次控制量的计算并输出到执行机构。运用增量型PID控制算法，可知：u(k)=u(k)-u(k-1) =Kce(k)-e(k-1)+(T/Ti)*e(k)+(Td /T)*e(k)-2e(k-1)+e(k-2)或写为u(k) =Kce(k)-e(k-1)+Ki e(k)+Kde(k)-2e(k-1)+e(k-2)其中Ki= Kc T/Ti (1) , Kd=Kc Td/T (2)2、继电法整定PID参数上图所示为继电型PID自整定结构，当开关开向整定时，得到系统临界信息震荡幅值A和震荡频率C；而当开关切向控制时，此时系统按照PID控制方式运行，由PID控制器对系统的动态性能进行调节。开关整定切换到控制时，这中间就需要我们利用得到的系统临界信息整定出PID控制器参数值。这里面包含两个步骤：确定整定过程中的临界信息和确定PID控制器的参数值。临界信息的确定：使系统的闭环特征方程发生振荡的条件可以写成：+N(A)G(s)s=jc=0即： G(jC)=-1/N(A)令该式的实部和虚部分别等于零，则可以得出振荡频率C和振荡幅值A。假设继电非线性环节不带有滞环，即若设0，则描述函数可以简化成：N(A)=4M/A，这时可立即求出振荡频率C并求出临界周期Tu及临界增益KC： 下面来对本设计进行详细计算说明：其中：K8，0.3，200rad/s则 c=200, 解得：Tu=2/c=0.0314, Ku=PID控制器参数值的确定：PID的参数可能根据经验公式得出：控制器KcTiTdP0.5KuPI0.4Ku0.8TuPID0.6Ku0.5Tu0.12Tu然后进一步根据公式（）和（）可得出PID 参数以及Ki、Kd如下：控制器KcTiTdKiKdP7.5PI60.025121.2PID90.01570.0037682.576.78三、程序设计1、程序设计详单（1）增量式PID控制程序clear all;close all;ts=0.01;%采样时间0.01s%比例作用kp=7.5;Ti=99999;Td=0;sys=tf(320000,1,120,40000,0);%系统传递函数dsys=c2d(sys，ts,z); %求离散化传递函数num,den=tfdata(dsys,v); %求得离散传递函数的分子和分母%设定初始值u1=0;u2=0;u3=0; y1=0;y2=0;y3=0;yy1=0;e1=0;e2=0;ki=kp*ts/Ti;%（1）式kd=kp*Td/ts;%(2）式A=kp*(1+ts/Ti+Td/ts);B=-kp*(1+2*Td/ts);C=kp*Td/ts;for k=1:300t(k)=k*ts;r(k)=1;%阶跃信号y(k)=-den(2)*y1-den(3)*y2-den(4)*y3+num(2)*u1+num(3)*u2+num(4)*u3;%根据离散系统传函求出差分方程D(k)=0;%干扰yy(k)=y(k)+D(k);e(k)=r(k)-yy(k);%计算偏差值u(k)=A*e(k)+B*e1+C*e2;%对偏差进行PID计算u(k)=u1+u(k);u3=u2;u2=u1;u1=u(k);y3=y2;y2=y1;y1=y(k);yy1=yy(k);e2=e1;e1=e(k);end figure(1);plot(t,r,r,t,yy,b);xlabel(time/s);ylabel(输出响应);ylim(0 2)%比例积分作用 kp=6;Ti=0.02512;Td=0;比例积分微分时同理：%比例积分微分作用kp=9;Ti=0.0157;Td=0.003768;（2）整定效果验证 %干扰信号if k=200 D(k)=0;elseif k250 D(k)=0;end四、结果展示与分析整定效果验证（如下图）： 只有比例（P）作用时：由上图可见，在干扰处输出变化较大，而且不会回到给定值;当进行比例积分（PI）控制时：积分作用具有消除系统余差的能力，所以在克服偏差时的控制效果要比纯比例的好当进行比例积分微分控制（PID）时：图像发散，完全不可以消除干扰，不能用此方法控制。结论：由两组图像可知，比例积分的控制效果最好，无论是在稳定时间和克服扰动方面都很好，纯比例控制效果虽然在克服输入端单位阶跃时效果很好，但对于输出端的扰动无能为力；而加入微分作用后，系统趋向于发散。是由于积分具有消除余差作用的能力，所以在克服偏差时的控制效果要比纯比例的好，而微分的作用是消除系统的滞后，而且加入微分后系统会趋向于不稳定，本题目中存在滞后，所以不宜加入微分作用。五、体会 通过本次软件设计，我深有感触，不仅对Matlab的基本用法有了一定的了解，熟悉增量式PID的原理及其算法，会使用Matlab对其过程进行编程仿真，了解了继电法整定PID参数，知道如何对于传递函数设定适应的PID参数。并且，这次动手操作，还锻炼了我分析、查找资料和排除编程错误的能力，让我今后可以更加熟练的使用Matlab。六、参考文献1、自动控制原理 厉玉鸣等 化学工业出版社2、计算机控制系统 王 慧 化学工业出版社3、基于继电型的PID参数模糊整定的研究 张 丽4、先进PID控制及其MATLAB仿真程序 刘金琨 电子工业出版社12