PID控制器参数整定与分析

李辉 史荣珍

摘要：PID控制器又称为“三项控制器”，主要由比例环节、积分环节、微分环节三部分组成，在控制策略中应用十分广泛。该文通过设计的PID控制器硬件电路对二阶闭环系统进行控制，分别改变各环节参数分析系统的单位阶跃响应效果。并利用Simulink仿真，对PID控制器各环节参数进行整定与分析，从而得到使系统达到满意性能的参数。

关键词：PID控制器；参数整定；Simulink；自动控制原理

中图分类号：TP15 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）08-0243-0c

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1引言

PID控制是经典控制理论部分的典型代表，具有广泛的应用性。PID控制有着结构简单、鲁棒性好、可靠性高等优点。PID控制的原理并不难，有难度的是各环节参数的整定。本文采用“试凑法”对PID控制器各环节参数进行整定。研究的目的是分析PID控制器各环节参数的改变对系统响应效果的影响，从而比较方便地找到较优的参数，提高系统的性能。

2理论基础

PID控制器由比例环节、积分环节和微分环节三部分组成。其控制规律形式为：

3硬件电路实现参数整定

在PID控制器作用下的二阶系统电路原理图如图1所示。

综合以上各图可以得出：增大[KP]，系统的响应速度加快，超調量增加，调节时间变长，震荡增加，系统的稳定性变差。增大[Ti]，系统超调量减小，调节时间缩短，系统稳定性提高。增大[Td]，系统超调量减小，调节时间缩短，系统稳定性提高。

4 Simulink仿真及结果分析

Simulink仿真原理图如图5所示。分别改变比例系数[Kp]、积分系数[Ki]和微分系数[Kd]，分析参数变化对系统动态性能的影响。

调节[KP]。保持[Ki]=0.1、[Kd]=0.1。改变[KP]，[KP]分别取2、5.2、10.1时系统的响应曲线如图6所示。

根据图6可得出，增大比例系数[KP]，会加快系统的响应速度，在一定程度上减小稳态误差，但[KP]值需适当，不宜过大，过大会增加系统的超调量，加剧系统的振荡，使得调节时间变长。

调节[Ki]，保持[KP]=2，[Kd]=0.1。[Ki]分别取0.1、2、5时系统的响应曲线如图7所示。由图7可得出，[Ki]增大，系统超调量增加，振荡加剧，调节时间变长，但是在一定程度上减小了稳态误差。

调节[Kd]，保持[KP]=2，[Ki]=0.26。[Kd]分别取0.01、0.1、0.26时系统的响应曲线如图8所示。根据图8可得出，[Kd]的值增大，系统的超调量减小，调节时间缩短，但响应速度会变慢。

综上所述，可根据[Kp]、[Ki]、[Kd]各参数对系统响应时间、超调量和过渡时间等动态性能指标的影响，选取较优的参数，达到理想的控制效果。

5 结束语

仿真目前是一些先进自动化企业智能工厂建设目标中数字化进程的重要体现，可以极大程度的减少元器件精确度的误差，向智能化的目标迈进一步。本文通过两种途径对PID控制器参数的整定进行了研究和分析。通过Simulink对系统进行仿真，可以方便地、直观地模拟出各参数对系统性能的影响。根据分析结果，选取较优的参数，以达到较好的控制效果。

参考文献：

[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2013.

[2]Richard C. Dorf， Robert H. Bishop. Modern Control Systems[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry， 2015.

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[4]卢宇帅，饶光洋.由模拟电路构成的PID控制器以及参数整定[J].北京：电子技术与软件工程， 2014（14）： 252-254.

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