智能车控制算法设计与仿真研究外文翻译资料

 2022-01-16 07:01

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摘要 比例积分导数的大量计算（PID）控制器参数调整与分析方法是一个需要及时解决的重要问题。基于Matlab / Simulink的参数调整很简单，遗漏了上述程序的视觉操作方法。根据Ziegler-Nichols（Z-N）方法，本文介绍如何减少和验证PID控制器参数借助MATLAB工具取得了一定的参考以控制模型为例。 仿真结果表明这种方法的有效性可以适用于工程。

关键词 - MatlablSimulink; Z-N方法; PID控制·参数调整

  1. 简介

PID控制提供最简单但最有效的方法解决许多现实世界控制问题及其三个方面涵盖治疗的功能。自发明以来1910年的PID控制（主要是Elmer Sperry的船自动驾驶仪）和Zie􀀏ler-Nichols（Z-N）直接前进调整方法在19421]中，PID控制的普及程度非常成长。自动控制科学有随着发展的多种控制方案技术。但是，超过90％的工业控制器仍然基于PID实现算法，特别是在最低级[2]，没有其他算法控制器符合简单，清晰的功能，适用性和PID控制器提供的易用性[3]

Matlab / Simulink是一个用于建模的交互式工具，模拟和分析动力学系统[4]一直如此协助工程师设计和测试系统模型不同的工程领域，使工程师能够建立图形框图，评估系统性能，以及改进他们的设计。它提供了深刻的理解系统参数及其如何影响其性能。

本文介绍了PID基础知识和软件在Matlab / Simulink中开发的模块用于调整PID控制器。首先，第二节强调了PID基本面和关键问题。第三节重点关注关于在PID调节控制中实现Matlab / Simulink的研究。第四节是本文的结论。

  1. 相关工作

标准PID控制器被称为“三个术语”控制器，其传递函数一般写在由（1）给出的“平行形式”或由（2）给出的“理想形式”。

(1)

(2)

比例增益在哪里，积分增益导数增益，积分时间常数以及微分时间常数Td。

A. PID控制器参数

“三个术语”的功能由以下突出

bull;比例项 - 减少上升时间和将减少但永远不会消除稳态错误。其输出与输入误差信号成比例它提供了一个比例的整体控制动作到错误信号。当控制系统中只有比理想的时候稳定状态的错误才会显示

控制系统。

bull;积分项消除稳态误差通过低频补偿积分器但它可能会影响瞬态响应这会使瞬态响应变得更糟。

bull;衍生术语 - 增加稳定性系统，减少过冲，并改善瞬态响应。它的输出成正比输入误差信号的导数并改善通过高频瞬态响应由差异化者补偿。

这三个术语对闭环的个体影响性能总结在表I [5]中，以获得最佳效果性能，（或）和（或）是需要手动调整的

表I.

闭环响应

上升时间

最大偏差

设定时间

稳态错误

稳定状态

增加

减少

增加

小幅增加

减少

降低

增加

小幅减少

增加

增加

大幅减少

降低

增加

小幅减少

减少

减少

微小变化

提高

读者可参阅[6]和[7]进行详细讨论关于各种PID结构的使用。尽管如此，控制器调整参数使得闭环控制系统将是稳定的，并符合既定目标[5]

关于PID调整方法的优秀摘要可以是发现在[8-12]但是，到目前为止没有调整方法可以取代简单的Z-N方法在熟悉度和易用性方面用来开始[13]B. Ziegler-Nichols调整方法模拟程序

B. Ziegler-Nichols调整方法模拟程序

Ziegler-Nichols方法是一种简单明了的PID控制器调整方法，由John G.开发。Ziegler和Nathaniel B. Nichols。它由实现将I和D增益设置为零，增加“P”增益直到控制回路的输出振荡恒定振幅。然后振荡周期用于设置P，I，和D收益。

模拟PID参数调整所采取的步骤Ziegler-Nichols方法如下：

bull;将控制器设置为仅P模式，也就是说分配积分得到= 0;衍生得到 = 0，控制器得到 = 1.

bull;设置控制器增益，缓慢上升并观察输出响应。当导致持续时输出中的周期性振荡，标志着这一关键值 为为最终值。另外，衡量振荡时期被称为终极期。

bull;使用和Ziegler和Nichols调整方法规定了以下，和的值，如在表二[15]

表2控制器参数的种类

控制类型

P

-

-

PI

-

经典pid

Pessen 积分法

0.15

有过冲

无过冲

Zlegler-Nlchols tunmg规则可以最好地激活PID循环干扰抑制性能。 一些应用希望在ZieglerNichols时，尽量减少或消除过冲调整规则产生积极的增益和超调，对于这个Z-N是不合适的。

III. PID控制器使用SIMULINKPID控制器

PID控制器非常受欢迎并且在许多领域得到广泛应用应用[14]。 三个术语的组合给出了控制器优于其他传统控制器。值得一提的是如果有组合可以提供好的可接受输出响应那就没有必要去执行这三个术语

至于工程稳定性方法无法实现在实际工程中受到生产力的限制技术。 同时使用Matlab / Simulink PID控制器方法，调整参数关系曲线控制器可以计算和绘制以及模拟控制过程以获得最佳调整参数。

本文将向您展示该特性比例（P），积分（1）和导数（D）和如何使用它们来获得所需的响应。

A.三阶系统的调谐模拟

例如，三阶系统的参数调整考虑反馈控制器系统和以下转移函数：

(3)

(4)

(5)

1）开发包括控制器的过程模型

Simulink中的算法。在本教程中，我们将考虑以下统一性反馈系统：

图1.单位反馈控制系统

设备：一个需要控制的系统。

控制器：为设计的工厂提供激励控制整个系统的行为。

使用ZieglerNichols计算PID控制器设置调整方法然后验证Matlab / Simulink仿真。打开一个新的Simulink窗口并拖动 - 删除所有必要的块以模拟该过程。

2）设置PID参数名称

单击“增益”模型或可以给出PID参数在“命令窗口”中写入和模拟时间可以选择单击“参数”菜单。一般来说，模拟时间越长，会得到更高的精度和更高分辨率的曲线。由于缺乏Simulink的分辨率，所以我们可以移动模拟结果到“工作区”。之后，模拟结果将会通过绘制模拟曲线进行分析。

必须定义控制器参数。图2澄清Simulink中的模型开发来模拟反馈控制器系统。双击三个模型：”增益“，”增益1”,“增益2”,输入” “,”“，“”分别。然后输入： = 1; = 0; = 0 在Matlab窗口中去初始化以上三个参数。在完成模拟控制设置之后，点击“开始模拟”按钮开始模拟。

图2.三阶系统仿真框图

3）调整PID参数

在步骤3中，根据ZieglerNichols实现PID调节方法。

图3.调整前的三阶系统仿真曲线

在系统阶跃响应中没有过冲图3，所以应该加上比例参数P.获得过冲。虽然系统稳定，但PID可以用Ziegler-Nichols方法调整。

控制器增益，缓慢上升并观察输出响应。请注意，这需要在步骤中更改增加并等待输出中的稳定状态。通常，初始化较大的（设置80）以获得不稳定输出。然后采取挑选媒介方法找到关键收益。鉴于第一个增益数是40，如果它仍然是增加振荡输出，然后将20作为下一个增益设置或采取60.可以通过这种方式获得关键增益。可以直接获得持续的周期性振荡Matlab / Simulink如图4所示;最终的收益表示临界值

图4.持续振荡阶跃响应曲线

目前，为10.两个峰的时间间隔为大约20秒意味着振荡时期被称为终极时期是20秒。

下一步，使用最终收益值和终极时期Ziegler和Nichols方法规定了以下,和的值，取决于关于控制器的类型。系统步骤响应也是如图5所示。

图5.三阶系统的阶跃响应

从图5中我们可以看到系统的设置时间是20秒，超调大于40％。对比有一些机械电子控制系统，控制效果不好。所以支柱口参数应减少以模拟重复和模拟曲线如图6所示。

图6.三阶系统的调谐阶跃响应

与图相比，修改后的系统得到了改进6.缩短设定时间，减少过冲。

因此，直观地了解控制系统可以在Matlab / Simulink接口中获得有利于实际的工程控制。

B.二阶系统的调谐模拟

图7.二阶系统仿真框图

首先，获得持续的周期振荡t = 3.7进入调整的秒数方法：= 2.1; t = 7.6; = 0.95/t;K = 0.075 * t * 获取相关参数如下： = 1.8; = 0.2624; = 0.455.

图8.二阶系统的调谐阶跃响应

从上图8中，我们可以得出结论系统的设置时间只有10秒而且有几乎没有超调。 调谐效果很难获得。 在实际的工程控制，一个很好的调整系统通过上面的Simulink调整参数获得。

C.一阶系统的调整模拟

而_1_是控制系统及其变换是一个单一的系统。 稳定系统的阶跃响应如图9所示。

图9.一阶系统的调整阶跃响应

它表明，对于一阶系统，一个很好的调整效果将通过proporal控制获得。

IV.结论

Matlab / Simulink软件包已经成功了工程师为不同领域设计和测试阀杆模型工程学。 用PID调节PID控制器的程序提出了Matlab / Simulink。 它显示了如何MA TLAB可以与Simulink轻松交互以实现ZieglerNichols调整方法。 三个案例研究表明，Matlab / Simulink是一个功能强大且易于使用的工具调整PID控制器。

可以增强这项工作中提出的方法相当大的过程控制的学习进度。 一个可以实现大量的过程模型Simulink和控制系统的行为可以很容易分析。 它提供了深刻的理解系统参数及其如何影响其性能。工科学生和工程师可以建立他们的模型并在实际过程中实施之前对其进行测试。 这个将提高学生的知识，使他们熟悉与MA TLAB环境。

参考文献

IG.ZieglerandN.B.Nichols, 'Optimum settings for automatic

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资料编号：[1262]

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