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基于MATLAB的PID控制器設計.doc

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?基于MATLAB的PID控制器設計Design of PID Controller based on MATLABAbstractThis paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid controller design method, design a pid controller of temperature control system and observe the output waveform while input step signal through virtual oscilloscope after system completed. Keywords: PID parameter setting ;PID controller; MATLAB simulation;cooling machine 目 錄摘 要 IABSTRACT II第一章 緒 論 11.1 課題來源及PID控制簡介 11.1.1 課題的來源和意義 11.1.2 PID控制簡介 11.2 國外研究現狀及MATLAB簡介 3第二章 控制系統及PID調節 52.1 控制系統構成 52.2 PID控制 52.2.1 比例、積分、微分 52.2.2 P、I、D控制 7第三章 系統辨識 93.1 系統辨識 93.2 系統特性圖 103.3 系統辨識方法 11第四章 PID最佳調整法與系統仿真 144.1 PID參數整定法概述 144.2 針對無轉移函數的PID調整法 154.2.1 RELAY FEEDBACK調整法 154.2.2 RELAY FEEDBACK 在計算機做仿真 154.2.3 在線調整法 194.2.4 在線調整法在計算機做仿真 204.3 針對有轉移函數的PID調整方法 234.3.1 系統辨識法 244.3.2 波德圖法及根軌跡法 27第五章 油冷卻機系統的PID控制器設計 285.1 油冷卻機系統 285.1.1 油冷卻機 285.1.2 感測與轉換器 295.1.3 控制組件 305.2 油冷卻機系統之系統辨識 315.3 油冷卻機系統的PID參數整定 33結 論 40致 41參考文獻 42第一章 緒 論1.1 課題來源及PID控制簡介1.1.1 課題的來源和意義任何閉環的控制系統都有它固有的特性,可以有很多種數學形式來描述它,如微分方程、傳遞函數、狀態空間方程等。但這樣的系統如果不做任何的系統改造很難達到最佳的控制效果,比如快速性穩定性準確性等。為了達到最佳的控制效果,我們在閉環系統的中間加入PID控制器并通過調整PID參數來改造系統的結構特性,使其達到理想的控制效果。1.1.2 PID控制簡介當今的自動控制技術都是基于反饋的概念。反饋理論的要素包括三個部分:測量、比較和執行。測量關心的變量,與期望值相比較,用這個誤差糾正調節控制系統的響應。這個理論和應用自動控制的關鍵是,做出正確的測量和比較后,如何才能更好地糾正系統,PID (比例 - 積分 - 微分)控制器作為最早實用化的控制器已有 50 多年歷史,現在仍然是應用最廣泛的工業控制器。 PID 控制器簡單易懂,使用中不需精確的系統模型等先決條件,因而成為應用最為廣泛的控制器。 PID 控制器由比例單元( P )、積分單元( I )和微分單元( D )組成。其輸入 e (t) 與輸出 u (t) 的關系為公式(1-1) 公式(1-1)因此它的傳遞函數為公式(1-2) 公式(1-2) 比例調節作用:是按比例反應系統的偏差,系統一旦出現了偏差,比例調節立即產生調節作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調節,減少誤差,但是過大的比例,使系統的穩定性下降,甚至造成系統的不穩定。積分調節作用:是使系統消除穩態誤差,提高無差度。因為有誤差,積分調節就進行,直至無差,積分調節停止,積分調節輸出一個常值。積分作用的強弱取決與積分時間常數Ti,Ti越小,積分作用就越強。反之Ti大則積分作用弱,加入積分調節可使系統穩定性下降,動態響應變慢。積分作用常與另兩種調節規律結合,組成PI調節器或PID調節器。微分調節作用:微分作用反映系統偏差信號的變化率,具有預見性,能預見偏差變化的趨勢,因此能產生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調節作用消除。因此,可以改善系統的動態性能。在微分時間選擇合適情況下,可以減少超調,減少調節時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用,因此過強的加微分調節,對系統。省略部分。D參數整定的前提。在第四章中研究了基于MATLAB的PID參數整定的幾種方法,并各舉一例予以說明,主要有Relay feedback法,在線調整法以及系統辨識法,波得圖法及根軌跡法不做研究。以上幾章的知識是控制器設計的基礎,在接下來的第五章里面便結合油冷卻機系統應用以上幾章的知識進行PID控制器的參數整定及設計。致 經過幾個月的不斷努力,畢業設計終于如期完成。從拿到設計題目到最后成設計并定稿,其間經歷了翻閱相關資料、熟悉基礎知識、學習MATLAB軟件的使用,到開始寫論文以及最后的修改和裝訂成冊這幾個階段。每個階段工作的完使我在各個方面受益匪淺。在這次畢業設計中,我的任務是完成基于MATLAB的溫控系統PID控制器設計。為了很好地完成設計任務,我經常去圖書館或者上網搜集各種資料文獻,向指導老師和各位同學請教,并且翻閱以前的課本、筆記,熟悉之前學過的相關知識。這些不僅僅鞏固了我以前所學的專業知識,而且使我接觸了許多以前沒接觸過的新知識,大擴寬了我的知識面。尤其是對于PID控制器的設計和應用,使我有了更加深入的了解,也使知道了在現代的控制系統設計和建立中借助好的軟件包的重要性及未來的發展趨勢。在這次設計過程中,我明顯感覺到自己在許多方面存在不足,譬如,對Word的熟練使用,對MATLAB軟件的應用,對PID控制器的認識等等。我借此機會不斷學習,努力提高多方面的能力,彌補自己的不足??偟恼f來,通過這次畢業設計的完成,我在各方面都有了很大的進步。特別是將大學所學的專業理論知識運用于實際設計中,與我們的生產、生活聯系在一起,讓我對自己的專業有了更濃厚的興趣,對自己的前途有了更充足的信心和更美好的憧憬。在整個設計過程中,我得到了俊東老師的悉心指導和幫助。在我遇到困難時,他們總是及時地幫助我理清思路解決困惑,最終跨過了一個又一個障礙,順利地完成了畢業論文的設計工作。在此,我向俊東老師表示衷心的感,向論文答辯組的各位老師表示衷心的感。由于本人的知識和能力有限,論文中難免存在許多不足的地方,敬請各位老師給予批評指正.參考文獻[1] 夏紅,賞星耀,宋建成. 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