文档介绍：二自由度PID控制系统设计与研究

摘要:传统的PID控制是一自由度的PID控制,只能对系统的一个控制参数进行设定,所以很难在实际控制中得到理想的控制效果。而二自由度PID控制系统可以独立设定两个控制参数,使系统的设定值跟踪效果和抑制干扰的效果同时达到最优。本文首先对二自由度PID控制方式做以介绍。其次,根据事先选定的被控对象的传递函数对被控系统加以分析,建立被控对象频域特性的二阶系统模型,对控制参数加以整定。再次,根据对几种控制方式的控制效果的比较,做出二自由度PID控制方式的选择。最后通过Matlab软件进行仿真,并对结果加以分析。
关键词:二自由度PID控制,设定值跟踪,干扰抑制
引言
PID控制方式在工业控制过程中是最常见的方式。但传统的PID控制器,无法做到既可以跟踪设定值又可以抑制各种外界干扰。原因在于传统PID控制只可以设定一个PID控制参数,即一自由度PID控制器。在这种控制方法中,PID控制参数的整定只可以是将目标值跟踪特性和抑制外界干扰特性的折中的处理方法。
二自由度的PID控制方式是在传统的PID控制中想办法整定两套能独立整定的PID控制参数,从而使被控制系统的目标值跟踪特性和外界干扰抑制特性可以同时达到最佳的控制效果的控制方式。基于这种理论的基础之上,人们发展了很多智能型的PID控制器,比如专家型的PID控制器、神经网络PID控制器、基于遗传算法PID控制器等等。本文采用专家型的二自由度PID控制器来提升被控制系统的控制效果。
二自由度的PID控制方式及其选择

前馈型PID控制方式(专家式)
目前实际应用中的二自由度PID控制方式包括前馈型和滤波型两种。当控制系统中的被控对象参数发生变化时,利用人工改变相应PID控制参数及二自由度化系数是比较繁琐的。为了克服这一问题人们设计了一种前馈型的二自由度PID控制方式,即专家式自动整定调节器。
前馈型PID调节器再根据阶跃响应法辨识出被控制对象G(s)的大致参数后依据整定公式求出使干扰抑制特性达到最佳的PID控制参数值,然后依据系统的参数以及为满足系统不同控制品质要求而设定的超调量δ的大小,查找出比例尺增益二自由度化系数α的值、积分时间二自由度化系数β矩阵表,得到相对应的α、β值,使系统响应趋于控制效果最佳的设定目标。在本文中将采用滤波型二自由度PID控制方式的结构设计控制器。所以重点研究滤波型二自由度PID控制方式的结构特点。
设定值滤波型控制
设定值滤波型二自由度的PID控制系统结构在传统的测量值微分先行的PID结构上再附加上设定值滤波器而构成的。其中滤波器的传递函数:
式中α是比例增益二自由度化系数(0≤α≤1)、β是积分时间二自由度化系数(0≤β≤1)、γ是微分时间二自由度化系数(0≤γ≤1),其中1/η为微分增益(≤η≤1)。
当系统中增大α值时,系统响应的上升时间将会减小,超调量δ会增加,适当的增加β的值,可使得系统在上升时间几乎不发生变化的情况下减小超调量δ的值,,所以一般采用仅PI控制作为二自由度的控制方式(即令γ=0)。当α、β、γ的加入或改变时,不会影响被控制系统的扰