上海商学院信息与计算机学院 物联网工程专业实验报告
实验名称 姓 名 王梓杰 实验五 PID控制器实验 专业班级 物联网172 学 号 17104040223 指导教师 刘富强 成 绩 一、实验目的 1.了解PID控制的原理与特点: 2.掌握PID控制器的设计方法; 3.掌握PID控制器参数与系统性能分析方法。 二、实验环境 Windows 10 操作系统、Matlab 2018a 三、实验内容 1.设计基于PID控制器的典型控制系统; 2.绘制系统响应曲线，计算系统性能指标; 3.分析PID参数变化对系统稳定性及动态指标的影响。 四、实验步骤与结果 设被控对象等效传递函数为：𝐺(𝑠)=𝑠(𝑠+1)(𝑠+5)分析控制器的参数对系统静态误差的影响，执行如下程序： 1 屏幕中得到该系统传递函数的根轨迹图： 1
当开环增益小于约32.2时，系统处于稳定状态。 由图中可知原系统在临界稳定状态时，取K’=30，P’=2𝜋/𝑤𝑐=2𝜋/2.3≈2.73 利用等幅震荡整定法，可以确定控制器对应的参数 控制器类型 P PI PID 等幅震荡整定 K=0.5K’ K=0.45K’,T=0.833P K=0.6K’,T=0.5P’,T’=0.125P’ 得到没有加PID控制时原系统及添加PID控制器后系统的阶跃响应其中参数 K=0.6*30=18 T=0.5P’=0.5*2.73=1.365 T’=0.125P’=0.125*2.73=0.34125 执行如下图所示程序： 屏幕呈现图像： 2
五、思考与练习 我们用MATLAB对PID控制器进行一次仿真，进入Simulink，按下图显示将PID Controller，Scope，Step，Sum，TransferFon添加到模型编辑区域并连接： 此时的sum反馈的符号是一个+，也就是说这是一个正反馈，但是我们PID一般都是负反馈，所以需要改一下反馈的符号。双击sum切换到sum的属性对话框，将List of signs由++改为--，则下面的+会变成减。执行，打开Scope查看PID输出波形如下图： 我们也可以打开PID控制器，调整参数： 调整之后图像也有所变化： 3
六、心得体会 PID调节器是一种线性调节器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的控制偏差：e(t)=r(t)-c(t)将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。在实际应用中，常根据对象的特征和控制要求，将P、I、D基本控制规律进行适当组合，以达到对被控对象进行有效控制的目的。 PID调节特点是：比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好,但是比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。 PID是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法都是用加法调整被控制的数值。而实际上这些加法运算大部分变成了减法运算因为被加数总是负值。这三种算法是: 比例，控制当前，误差值和一个负常数P (表示比例)相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系；积分。控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系统会在预定值定下来。微分可提高系统的响应速度，但其对高频干扰特别敏感，甚至会导致系统失稳。
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