PID参数整定及其对性能影响

PID控制器参数整定及其对系统性能的影响

一、本实验采用二阶系统G(s)?2s2?3s?10作为仿真实验的被控对象，通过仿真寻求一组参

数，使得控制系统的整体性能较优，然后通过改变Kp,Ki和Kd来分析这三个参数对系统性能的影响，同时当系统处于稳态时给系统施加一定的干扰，分析系统的抗扰性能。 其中在Simulink下仿真框图1如下：

图1 Simulink下仿真框图

PID控制器的参数Kp,Ki和Kd分别会对系统性能产生不同的影响，因此要通过反复调节才能使控制达到最佳状态，经过调节Kp,Ki和Kd，得到一组较优参数：Kp=24, Ki=20, Kd=2，在该

组参数控制下，超调量5%，上升时间：0.5s，调节时间1.3s,综合性能较好。

二、分析参数对控制性能影响

对参数分别改变±20%，±50%观察系统的响应曲线。

将参数Kp,Ki和Kd分别变化±20% ：即Kp=28.8, Ki=24, Kd=2.4和Kp=19.2, Ki=16, Kd=1.6其仿真效果如下：

图2 Kp,Ki和Kd分别变化±20%后仿真效果图

将参数Kp,Ki和Kd分别变化±50%，即Kp=32, Ki=30, Kd=3和Kp=12, Ki=10, Kd=1,其仿真效果如下：

图3 Kp,Ki和Kd分别变化±50%后仿真效果图

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由图可以看出，当Kp,Ki和Kd在变化±20%，±50%时，会引起系统其各方面性能变化较大，其中当参数增大时衰减率会减小，响应速度加快，但超调会有所增加，兼顾各方面性能，所选定参数综合性能良好。

三、 下面讨论这3个参量变化时对系统控制作用的影响，在讨论一个参量变化产生的影响时，将另外两个参量设定为常数。

1. 分析比例参数Kp对系统性能的影响，将积分，微分均设为常数，将Kp分别改为Kp=20, Kp=40, Kp=60(Ki=15,Kd=1)

图4 不同比例参数下系统响应结果

由图4可总结出：比例参数Kp对系统的动态性能和稳态性能均有影响：Kp增大，将使系统响应速度加快，调节时间加长；Kp太小则会使系统的响应速度太慢。此外在系统稳定的前提下，加大Kp可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。因此Kp主要作用是改变系统的动态性能。

2. 分析积分参数Ki对系统性能的影响，将比例，微分均设为常数，将Ki分别改为Ki=24, Ki=16,Ki=8(Kp=8,Kd=0)，其仿真结果如图5所示：

图5不同积分参数下系统响应结果

积分控制通常和比例控制或比例微分控制联合作用，构成PI控制或PID控制。由图2可知它对系统的性能也有很大影响，而且会影响到系统的稳定性，Ki过大，会造成系统不稳定，且振荡次数较多；积分环节最大的特点是可以消除稳态误差，提高系统的控制精度，但在仿

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真的过程中发现，当Ki太小时，积分控制作用太弱，不能消除残差。

3 分析微分参数Kd对系统性能的影响：将比例积分均设为常数，将Kd分别改为： Kd=1, Kd=2,Kd=12，(Kp=16,Ki=0)，其仿真结果如图6所示：

图6 不同微分参数下系统响应结果

由图6可知，微分参数Kd对系统的动态性能和稳态性能也均有影响：微分环节的加入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。它引进一个早期的修正作用，有助于增加系统的稳定性。Kd增大即微分作用的增强还可以改善系统的动态特性，如可以明显减少超调量，缩短调节时间等，提高控制精度。但Kd值偏大都会适得其反。此外微分作用可能会放大系统的噪声，降低系统的抗干扰能力。

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