PID控制器參數整定與分析

李輝 史榮珍

摘要：PID控制器又稱為“三項控制器”，主要由比例環節、積分環節、微分環節三部分組成，在控制策略中應用十分廣泛。該文通過設計的PID控制器硬件電路對二階閉環系統進行控制，分別改變各環節參數分析系統的單位階躍響應效果。并利用Simulink仿真，對PID控制器各環節參數進行整定與分析，從而得到使系統達到滿意性能的參數。

關鍵詞：PID控制器；參數整定；Simulink；自動控制原理

中圖分類號：TP15 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0243-0c

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1引言

PID控制是經典控制理論部分的典型代表，具有廣泛的應用性。PID控制有著結構簡單、魯棒性好、可靠性高等優點。PID控制的原理并不難，有難度的是各環節參數的整定。本文采用“試湊法”對PID控制器各環節參數進行整定。研究的目的是分析PID控制器各環節參數的改變對系統響應效果的影響，從而比較方便地找到較優的參數，提高系統的性能。

2理論基礎

PID控制器由比例環節、積分環節和微分環節三部分組成。其控制規律形式為：

3硬件電路實現參數整定

在PID控制器作用下的二階系統電路原理圖如圖1所示。

綜合以上各圖可以得出：增大[KP]，系統的響應速度加快，超調量增加，調節時間變長，震蕩增加，系統的穩定性變差。增大[Ti]，系統超調量減小，調節時間縮短，系統穩定性提高。增大[Td]，系統超調量減小，調節時間縮短，系統穩定性提高。

4 Simulink仿真及結果分析

Simulink仿真原理圖如圖5所示。分別改變比例系數[Kp]、積分系數[Ki]和微分系數[Kd]，分析參數變化對系統動態性能的影響。

調節[KP]。保持[Ki]=0.1、[Kd]=0.1。改變[KP]，[KP]分別取2、5.2、10.1時系統的響應曲線如圖6所示。

根據圖6可得出，增大比例系數[KP]，會加快系統的響應速度，在一定程度上減小穩態誤差，但[KP]值需適當，不宜過大，過大會增加系統的超調量，加劇系統的振蕩，使得調節時間變長。

調節[Ki]，保持[KP]=2，[Kd]=0.1。[Ki]分別取0.1、2、5時系統的響應曲線如圖7所示。由圖7可得出，[Ki]增大，系統超調量增加，振蕩加劇，調節時間變長，但是在一定程度上減小了穩態誤差。

調節[Kd]，保持[KP]=2，[Ki]=0.26。[Kd]分別取0.01、0.1、0.26時系統的響應曲線如圖8所示。根據圖8可得出，[Kd]的值增大，系統的超調量減小，調節時間縮短，但響應速度會變慢。

綜上所述，可根據[Kp]、[Ki]、[Kd]各參數對系統響應時間、超調量和過渡時間等動態性能指標的影響，選取較優的參數，達到理想的控制效果。

5 結束語

仿真目前是一些先進自動化企業智能工廠建設目標中數字化進程的重要體現，可以極大程度的減少元器件精確度的誤差，向智能化的目標邁進一步。本文通過兩種途徑對PID控制器參數的整定進行了研究和分析。通過Simulink對系統進行仿真，可以方便地、直觀地模擬出各參數對系統性能的影響。根據分析結果，選取較優的參數，以達到較好的控制效果。

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