采用MATLAB中的SISO工具设计PID控制系统.pdf
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1、第期(总第 期)年 月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o D e c 文章编号:()采用MAT L A B中的S I S O工具设计P I D控制系统杨通培,陈溪奉(中国航发贵州红林航空动力控制科技有限公司,贵州贵阳 )摘要:新版MA T L A B软件中S I S OT o o l图形化工具箱功能强大,可以实现以控制理论为基础的P I D、最优化、L Q G和内模控制校正等多种线性系统校正和补偿;通过实例对控制系统P I D进行了校正设计,使用S I S O工具既可以避免繁杂的计算和MA
2、T L A B函数的重复调用,方便模拟参数调整过程,也可以实时显示设计和控制结果.关键词:MA T L A B;P I D控制;S I S O工具中图分类号:T P 文献标识码:A国家工信部航空发动机及燃气轮机基础科学中心重点项目(P D B V )收稿日期:;修订日期:作者简介:杨通培(),男,贵州贵阳人,工程师,本科,主要从事液压控制系统的设计研究工作.引言MAT L A B的C o n t r o lS y s t e m工具箱提供了单输入单输出系统补偿器的设计工具S I S O T o o l(S i n g l eI n p u tS i n g l eO u t p u tT o
3、o l b o x),新版软件的工具箱能利用系统零极点改变根轨迹图或开环系统的伯德图,实现控制系统补偿器的设计,包括具有自动整定功能的P I D校正、最优化校正、线性二次高斯控制器设计、回路成形法、内模控制校正等.在设计补偿器时也可以设置约束条件,如阻尼比、自然频率、超调量、幅值和相位裕度等,设计后还可实时显示补偿后闭环系统的阶跃响应和频率特性等.本文介绍采用S I S OT o o l工具箱高效完成控制系统P I D校正的方法,为控制系统校正设计提供了强有力的辅助手段.P I D控制从 年P I D控制器问世至今已有近 年历史,其以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便成为工业控制的主要技术
4、.P I D控制是一种串联线性控制器,控制规律为:G(s)U(s)E(s)KpKisKds()其中:G(s)为P I D控制器传递函数;U(s)、E(s)分别为P I D控制器输出、输入;Kp、Ki、Kd分别为比例、积分、微分系数.其核心在于P I D参数的确定.年Z i e g l e r&N i c h o l s引入 了 调 谐 规 则 以 设 置P I D的 合 适 参 数;年中期工程整定P I D在工业中得到广泛应用.现在可以直接利用S I S O工具设计控制器参数,进行设计仿真为工程应用提供基础.P I D控制系统结构框图如图所示,图(a)中,r(t)、y(t)分别为控制系统输入、
5、输出,e(t)、u(t)分别为P I D控制器输入、输出;图(b)中,C(s)、G(s)、H(s)和F(s)分为校正装置、被控对象、传感器和滤波器的数学模型.S I S O设计工具 S I S O简介S I S O设计工具可以设计校正装置位于前向通道、按输入补偿的复合校正、校正装置位于反馈通道、校正装置位于局部回路和具有内反馈回路的校正系统等五种类型;可用于根轨迹法改善闭环系统的动态特性,改变开环系统B o d e图的形状,添加校正装置的零点和极点,添加及调整超前/滞后网络和滤波器,检验闭环系统响应,调整相位及幅值裕度,实现连续时间模型和离散时间模型之间的转换等.图P I D控制系统结构框图
6、工作界面 初始界面初始界面为C o n t r o l S y s t e mD e s i g n e r,如图所示.C o n t r o lS y s t e m选项卡()F i l e菜单卡有O p e nS e s s i o n和S a v eS e s s i o n两个工具.()A r c h i t e c t u r e菜 单 有E d i t A r c h i t e c t u r e和M u l t i m o d e l C o n f i g u r a t i o n两 个 工 具.点 击E d i tA r c h i t e c t u r e图标以选择合
7、适的模型结构,导入模型d a t a;点击S e l e c tC o n t r o lA r c h i t e c t u r e中五种模型可选择模型结构;在B l o c k s页导入结构图中相应环节的参数值;在L o o pS i g n s页设置控制系统正或负反馈符号.()T u n i n gM e t h o d s菜 单 卡 分 为G r a p h i c a lT u n i n g和A u t o m a t e dT u n i n g两种方式.G r a p h i c a lT u n i n g中有波特图、闭环波特图、根轨迹、尼科尔斯曲线编 辑 器,用 于 控
8、制 要 显 示 的 图 像.A u t o m a t e dT u n i n g中点击可选P I D T u n i n g、O p t i m i z a t i o nB a s e dT u n i n g、L QG D e s i g n、L o o pS h a p i n g、I n t e r n a lM o d e lC o n t r o lT u n i n g之一,可获得相应的校正方法设计界面,选择校正参数,同步参数的变化,可以在一个窗口中显示多种类型的图形,设计工作在所显示的图形上完成.()A n a l y s i s菜单中有N e w P l o t选项,控制
9、系统参数变化后可选择重新绘制阶跃响应、伯德图、脉冲响应、零极点图等显示系统响应的曲线.()D e s i g n s菜单中有S t o r e、R e t r i e v e和C o m p a r e功能,处理修改模块参数后的设计结果.()R e s u l t s菜单有两个选项:E x p o r tT u n e dB l o c k s将调 整 的 框 图 值 输 送 到 工 作 空 间;C r e a t eS i m u l i n kM o d e l用调整的框图值创建S i m u l i n k模型.图控制系统设计界面 B o d e图和根轨迹编辑器界面在图控制系统设计界面中
10、可直接拖动B o d e图中的对数频率特性曲线(根轨迹图和阶跃响应曲线会同步变化)得到理想的特性,也可在图中增加零极点来改善系统性能.P I D控制系统设计实例某航空电磁阀控制系统为单位负反馈系统,电磁阀数学模型为G(s)/(ss),利用S I S OT o o l设计P I D控制器,要求调节时间小于s,超调量小于.建立被控系统模型建立被控系统模型的代码如下:n u md e n G t f(n u m,d e n)G f e e d b a c k(G,)打开S I S O设计工具窗口打开S I S O设计工具窗口命令如下:s i s o t o o l运行后,点击C o n t r o
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