〈〈计算机控制技术》课程三级项目
某二阶系统的PID控制器设计及参数整定
报告人：刘宝
指导教师：刘思远
燕山大学机械工程学院机电控制系
2012年9月23日
目录
〈〈计算机控制技术》课程三级项目 ............................................... 1
1.1 PID控制的应用现状 ......................................................... 3
1.2 PID控制器各个参数对系统系能的影响 ........................................ 3
1.2.1比例系数 KP对系统性能的影响 .............................................. 3
1.2.2积分系数K1对系统性能的影响 ............................................... 4
1.2.3微分系数 K2对系统性能的影响 .............................................. 5
1.3对给定的系统进行 PID控制调节 ................................................ 6
1.4收获与感想 ................................................................... 8
1.1 PID控制的应用现状
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控 制，
简称PID控制，乂称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史， 它以其
结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技 术之0
从理论角度而言,PID控制是20世纪40年代开始的调节原理的一种典 型代
表。PID控制再世纪控制工程中应用最广，据不完全统计，在工业过程 控制、航
空航天控制等领域中，PID孔的应用占80%以上。尽管PID控制已 经写入经典教
科书，然而由于 PID控制的简单与良好的应用效果，人们仍 在不断研究PID控
制器各种设计方法(包括各种自适应调节、最优化方法) 和未来潜力。
由于液压控制系统大功率、高控制精度、技术成熟等特点，在要求精度 高
的重型机械机构中得到了广泛应用。在现实工业中比例伺服阀与 PID控
制器的结合，使得液压控制对于位移、速度、压力等的控制获得更加良好的 效
果。
1.2 PID控制器各个参数对系统系能的影响
1.2.1比例系数 心对系统性能的影响
(1) 对系统的动态性能影响：KP加大，将使系统响应速度加快，KP偏
大时，系统振荡次数增多，调节时间加长； 心太小乂会使系统的响应速度
缓慢。KP的选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。
(2) 对系统的稳态性能影响：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的整定主要依据系统的动态性能。
调节P的大小对系统动态性能影响如图。由图可见，当K p加大时，可 是
系统动作灵敏，速度加快，在系统稳定的前提下，系统的稳态误差将减小， 却不
能完全消除系统的稳态误差。Kp偏大时，系统的震荡次数增多，调节 时间增长。
Kp太大时，系统会趋丁不稳定。
1.2.2积分系数K1对系统性能的影响
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。
(1) 对系统的动态性能影响：对丁合适的k1值，可以减小系统的超调 量，
提高了稳定性，引入积分环节的代价是降低系统的快速性。
(2) 对系统的稳态性能影响：积分控制有助丁消除系统稳态误差，提 高系
统的控制精度，但若k1太大，系统可能会产生震荡，影响系统的稳定 性。
由此可见，积分作用能够消除稳态误差，提高控制精度，系统积分作用 的
引入通常使系统的稳定性下降，K1太大时系统将不稳定，K1偏大时系统 的震荡
次数较多。
1.2.3微分系数K2对系统性能的影响
(1) 对系统的动态性能影响：微分系数 K2的增加即微分作用的增加 可以
改善系统的动态特性，如减少超调量，缩短调节时间等。适当加大比例 控制，可
以减少稳态误差，提高控制精度。但 K2值偏大或偏小都会适得其 反。另外微分
作用有可能放大系统的噪声，降低系统的抗干扰能力。
(2) 对系统的稳态性能影响：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，有助丁 增加
系统的稳定性。
Step Response
Time (sec)
微分控制经常与比例控制或积分控制联合使用。引入微分控制可以改善 系
统的动态特性，当K2偏小时，超调量较大，调节时间也较长；当 K2合 适时可
以提高系统响应速度，提高系统稳定性。
1.3对给定的系统进行PID控制调节
通过改变不同的参数，便可得到在不同参数情况下的系统响应， 而且以 一
个活晰的图像表示出来。
■Kp=8 ,k1 ==D.4 jiriflus n ce -Of d^ffe rent U2 -
K2 二 kp±Di/T
0.5 1 _L 2 2.5
3.5 4
首先取比例系数 Kp=30系统响应如图。由图中可以看出，系统响应较 满足系统
的要求，但是稳态误差较大，需要引入积分环节，进行 PI调
取比例系数Kp=30, K1=0.4系统响应如图。由图可以看出，系统的稳
快,
节
态误差已经达到要求，但是系统的超调量较大，震荡次数较多，调整时间较
长，需要引入微分环节，进行 PID调节。
取Kp=35, K1=0.4 , K2=15系统响应如图。由图可以看出，系统的超 调量
小丁 2%,调整时间小丁 0.2s,稳态误差小丁 5%,很好的满足了系统的 要求。
PID控制器的参数必须根据工程问题的具体要求来考虑。 在工业过程 控
制中，通常要保证闭环系统稳定，对给定量的变化能迅速跟踪，超调量小。 在不
同干扰下输出应能保持在给定值附近， 控制量尽可能地小，在系统和环 境参数
发生变化时控制应保持稳定。 一般来说，要同时满足这些要求是很难 做到的，
必须根据系统的具体情况，满足主要的性能指标，同时兼顾其它方 面的要求。
在选择采样周期T时，通常都选择T远远小丁系统的时间常数。因此， PID
参数的整定可以按模拟控制器的方法来进行。
1.4收获与感想
通过这次的课程三级项目，我更加深入的了解了 PID的控制机理，单 纯的
学习课本上的理论知识，我们只能大概的了解它的机理，但是其深层含 义却无法
体会，这次通过 matlab程序仿真，通过一次一次的参数整定，了
解到每一个参数的变化对系统行性能的影响，这样从实际中了解到这些知
识，才能更加领会其中的真正机理，为以后的 PID设计工作打下坚实的基
1 | : I
System；
。
Time (sec]: 0.11
Amplitude: 1 .01
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System： G
Tiijw 0.65
Arwlitude： 0.902
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0.6
0.4
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Time (sec)
□rep Rciponac
础。
通过这次的三级项目，我感到我还有许多工程软件的使用不太熟悉， 在 接
下来的时间里，我要加强这方面的学习，只有好好的掌握了每一个工程软 件的使
用方法，它们才能更好的为我们的工程分析服务，才能够给我们的设 计提高可靠
的理论根据。