汽車速度的PID控制器的仿真研究

李欣洋(朝陽工程技術(shù)學(xué)校,遼寧朝陽 122000)

汽車速度的PID控制器的仿真研究

李欣洋(朝陽工程技術(shù)學(xué)校,遼寧朝陽 122000)

隨著汽車的發(fā)展越來越快,汽車速度問題也逐漸凸顯出來,我們利用MATLAB 程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制中PID 參數(shù)整定及仿真,本文通過MATLAB 編程語言實(shí)現(xiàn)仿真主要探討了在汽車運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中PID 參數(shù)的整定過程中MATLAB 仿真的應(yīng)用。

PID控制器 汽車速度的控制 MATLAB仿真

1 PID控制

PID按照測量變送器送來的信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)，并以預(yù)先設(shè)定的參數(shù)(比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間)進(jìn)行運(yùn)算，且將運(yùn)算結(jié)果送至執(zhí)行器。因而PID控制中一個(gè)至關(guān)重要的問題，就是控制器三參數(shù)(比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間)的整定。

PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定一般都是通過試湊法反復(fù)運(yùn)算才能確定，普遍存在計(jì)算量大的問題。我們使用了汽車的速度控制問題的闡明獲得的符合我們的設(shè)計(jì)規(guī)格的根軌跡方法。

PID控制器結(jié)構(gòu)和算法簡單，應(yīng)用廣泛，但參數(shù)整定方法復(fù)雜，通常用湊試法來確定。文中探討利用MATLAB實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)整定及仿真的方法。

2 PID控制器的原理與算法

圖1是典型PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。在PID調(diào)節(jié)器作用下，對(duì)誤差信號(hào)分別進(jìn)行比例、積分、微分組合控制。調(diào)節(jié)器的輸出作為被控對(duì)象的輸入控制量。

PID控制算法的模擬表達(dá)式為

相應(yīng)的傳遞函數(shù)為

式1-2中KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。

圖1 典型PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 PID控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

PID控制具有是3種單獨(dú)控制作用各自的優(yōu)點(diǎn)，它除可提供一個(gè)位于坐標(biāo)原點(diǎn)的極點(diǎn)外，還提供兩個(gè)零點(diǎn)，為全面提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能提供了條件。式1-2中稱為PID控制器的積分時(shí)間；稱為PID控制器的微分時(shí)間。實(shí)際PID控制器的傳遞函數(shù)其中微分作用項(xiàng)多了一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，這是因?yàn)閷?shí)際元件很難實(shí)現(xiàn)理想微分環(huán)節(jié)。在控制系統(tǒng)中應(yīng)用這種控制器時(shí)，只要KP、TI、TD配合得當(dāng)?shù)玫胶玫目刂菩Ч?/p>

3 速度控制器的設(shè)計(jì)方法

汽車速度控制器的設(shè)計(jì)方法除了試湊法外，還有另一種是MATLAB對(duì)PID控制器參數(shù)的整定。

本文是主要利用MATLAB仿真對(duì)PID控制器參數(shù)整定，并同時(shí)證明了MATLAB仿真作用在PID控制器參數(shù)整定中的優(yōu)越性。由此證明了MATLAB仿真在控制系統(tǒng)的參數(shù)整定中有著一般試湊法不可比擬的優(yōu)勢。利用MATLAB程序?qū)?shí)際系統(tǒng)的PID控制器參數(shù)進(jìn)行仿真，大大減少了試湊法中反復(fù)修改參數(shù)、反復(fù)試運(yùn)行的缺點(diǎn)，具有方便、快捷、省時(shí)、直觀的優(yōu)點(diǎn)。

(1)利用MATLAB對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定和仿真，省去了傳統(tǒng)方法反復(fù)修改參數(shù)，反復(fù)試運(yùn)行，方便、快捷、省時(shí)、直觀。(2)增大比例系數(shù)KP將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，有利于減小靜差，但是過大會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，使穩(wěn)定性變壞；KP取值過小，會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。(3)增大積分時(shí)間TI有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長；若TI過小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將難以消除，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。(4)增大微分時(shí)間TD有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加。但TD不能過大，否則會(huì)使超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長；若TD過小，同樣超調(diào)量也增大，調(diào)節(jié)時(shí)間也較長。

4 PID控制器在汽車速度控制設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

控制器設(shè)計(jì)的最主要的問題是參數(shù)整定問題。在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，先設(shè)定各個(gè)參數(shù)取值范圍，然后利用MATLAB程序分析各個(gè)參數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)的變化對(duì)系統(tǒng)的影響。最后結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)取值范圍和分析出的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響規(guī)律對(duì)PID參數(shù)取值，使參數(shù)配合達(dá)到良好的效果，最終使系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)要求。下面討論汽車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中PID參量的變化對(duì)系統(tǒng)控制作用的影響。在討論一個(gè)參量的影響時(shí)，設(shè)其它參量為常數(shù)。

微分系數(shù)減小，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快；同時(shí)，超調(diào)量越大。是適當(dāng)增大微分系數(shù)可以減小超調(diào)，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。PID控制器比PI控制器的響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定。為了及時(shí)準(zhǔn)確控制汽車起動(dòng)時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)的性能要求，可以在其控制系統(tǒng)中加入PID控制，而PID控制器參數(shù)的選擇是設(shè)計(jì)要解決的主要問題。

5 結(jié)語

通過汽車速度控制器的仿真設(shè)計(jì)可知，在傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器中，確定KP、TI、TD3個(gè)參數(shù)的值，是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制的關(guān)鍵。因此，控制最主要的問題是參數(shù)整定問題，在PID參數(shù)進(jìn)行整定時(shí)，若有理論方法確定PID參數(shù)當(dāng)然最為理想，但實(shí)際應(yīng)用中，利用MATLAB強(qiáng)大的仿真工具箱的功能，可以方便地解決參數(shù)整定問題。

[1]王建輝,顧樹生.自動(dòng)控制原理.清華大學(xué)出版社,2007.

[2]李秋紅,葉志峰,徐愛民.自動(dòng)控制原理試驗(yàn)指導(dǎo).國防工業(yè)出版社,2007.

[3]王政林.Matab/simulink與控制系統(tǒng)仿真.北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4]薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析—MATLAB語言應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,2000.