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PID控制系统设计以及MATLAB仿真

PID控制系统设计以及MATLAB仿真

摘 要本文经过对温度这种常用被控参数使用PID系统构思设计，使用MATLAB完成参数的整定和仿真实验。在系统中加入干扰信号来测试系统的稳定性，通过MALTAB中的虚拟示波器来观察系统的各方面性能。使用系统辨识法、线上综合法来初步的探讨调节器的设计。

【关键词】PID 控制系统 MATLAB仿真

PID调节器参数整定简便易懂，实用性高，在产生异常情况下可以很好地运行，所以PID调节器在生活中很普遍，也是很早发展起来的控制程序。在日常生产以及工业生活中，温度是极具有广泛新却又十分主要的数据。所以要增高生产速率，增强产品质量，温度的有效监控是非常关键的。

PID调节器因为它操作方法机动性强，用法灵巧，所以拥有整体系列的产物，在操作过程中只需要设定其比例、积分、微分便可。

1 PID调节器控制原理

PID控制系统是将比例，积分，微分三个环节组合在一起来控制系统误差的系统。图1是为原理图。

1.1 比例环节(P)

比例控制是一种最简单的控制方式。及时通过整体中的偏差信号，当误差产生时，调节器马上做出反应调节。比例环节可以使控制系统更加稳定。

1.2 积分环节(I)

积分环节的关键作用在于去除静差，从而缩小控制环节的偏差程度。积分控制的精确度主要在于积分的时间常数，时间常数越大，控制能力越弱，反过来则越强。在这个环节中，输出数据与输入偏差值的积分为正比例。

若是整体中在进入稳定状态情况下存在偏差值，那我们则需要为系统解除掉这个稳定状态下的偏差。这样我们就需要将积分环节加入系统中。积分会伴着时间的变大而不断上升，所以跟着时间的推移，调节器会使输出数据变大使偏差值不断减小，一直到零误差。所以，PI调节系统也可以是工作环节在稳定状态中去除掉不应有的误差值。

1.3 微分环节(D)

微分环节可以在调节过程中加入一个及时而且高效的改正信号，同时能在产生偏差信号的早期，在误差没有变的更大之前，及时进行修正，以此来保证系统的迅速动作。当系统中包含具有惯性的设备和具有滞后性的设备时，控制系统在调节或消除偏差值得过程中有时候会呈现出振动或者失去稳定状态。这种情况下就需要加入微分环节。因为比例环节放大了偏差值的振动幅度，而微分环节可以计算出偏差值变化的走向。PD控制系统就能使动作更迭赶不上偏差值更迭，无法操控偏差值的系统。PD系统自动控制系统在克服误差的超前而我们无法控制误差，甚至产生副作用。比例微分控制系统可以更加好的控制一些具有滞后性或者具有惯性的系统，可以使超前的误差消除，从而使系统迅速动作，缩小控制时间。

1.4 控制策略

当我们没有精确地理解系统中的被控对象时，也不能使用有用的整定方法来取得系统中的数据时最合适的技术就是PID控制技术。PID技术已经经过很长时间的沉淀，已经形成固定的体系。它的构造简易，偏差值小，工作稳定，操作简单，已经成为现在工业中控制系统的主流。它适用于被控对象的参数与布局无法精确的认识，无法准确的建立数模以及各项技术理论无法在被控对象上实现，必须经过人为现场的操控以及工作经验来确定的系统。在试验中测得数据信号与我们所设定的数据相比较，通过信号源来控制设备组件。在实践中，比例、积分以及微分操控使用很多，也就是说PID调节系统很普及，这种操控又叫PID调节器。

2 调整方法

本文选择的是工频50HZ，额定功率800W，温控范围在20℃-250℃的一款型号为CK-9的电烤炉。

设计中要做到对温度进行操控，做到操作时间短而精确，无最大偏差，实际性误差小于1℃。

经过事先的了解和测试：电力升温设备是具有自主调节稳定的能力。经过参数计算可以将二阶的不振动系统降阶为一阶函数。所以我们用一阶函数来表示本文中的温度控制系统。

电烤炉模型的传递函数为：

实际的生产中总会有一些系统离散性大，随时间变化而变化，具有很大的惯性，还有一些存在滞后性的机械原理繁杂。在运行过程中受到譬如负载干扰的影响，从而参数或者模型构造会在不同时间不同环境之中产生不同的变化。所以在PID调控中，我们在整合数据时，我们不能依靠实验对象或者数模，并且还要能够随时调节数据，来得到随时操控的要求。

2.1 PID的调整方法

实际的生产中总会有一些系统离散性大，随时间变化而变化，具有很大的惯性，还有一些存在滞后性的机械原理繁杂。在运行过程中受到譬如负载干扰的影响，从而参数或者模型构造会在不同时间不同环境之中产生不同的变化。所以在PID调控中，我们在整合数据时，我们不能依靠实验对象或者数模，并且还要能够随时调节数据，来得到随时操控的要求。

2.2 数据整理方法

断路器开关通断：使用继电器的开关通