汽车速度的PID控制器的仿真研究

【摘 要】 随着汽车的发展越来越快，汽车速度问题也逐渐凸显出来，我们利用MATLAB 程序实现自动控制中PID 参数整定及仿真，本文通过MATLAB 编程语言实现仿真主要探讨了在汽车运动控制系统中PID 参数的整定过程中MATLAB 仿真的应用。

【关键词】 PID控制器 汽车速度的控制 MATLAB仿真

1 PID控制

PID按照测量变送器送来的信号与给定值进行比较，得到偏差信号，并以预先设定的参数（比例系数、积分时间、微分时间）进行运算，且将运算结果送至执行器。因而PID控制中一个至关重要的问题，就是控制器三参数（比例系数、积分时间、微分时间）的整定。

PID调节器参数的整定一般都是通过试凑法反复运算才能确定，普遍存在计算量大的问题。我们使用了汽车的速度控制问题的阐明获得的符合我们的设计规格的根轨迹方法。

PID控制器结构和算法简单，应用广泛，但参数整定方法复杂，通常用凑试法来确定。文中探讨利用MATLAB实现PID参数整定及仿真的方法。

2 PID控制器的原理与算法

图1是典型PID控制系统结构图。在PID调节器作用下，对误差信号分别进行比例、积分、微分组合控制。调节器的输出作为被控对象的输入控制量。

PID控制算法的模拟表达式为

（式1-1）

相应的传递函数为

（式1-2）

式1-2中为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。

PID控制具有是3种单独控制作用各自的优点，它除可提供一个位于坐标原点的极点外，还提供两个零点，为全面提高系统动态和稳态性能提供了条件。式1-2中称为PID控制器的积分时间；称为PID控制器的微分时间。实际PID控制器的传递函数其中微分作用项多了一个惯性环节，这是因为实际元件很难实现理想微分环节。在控制系统中应用这种控制器时，只要、、配合得当得到好的控制效果。

3 速度控制器的设计方法

汽车速度控制器的设计方法除了试凑法外，还有另一种是MATLAB对PID控制器参数的整定。

本文是主要利用MATLAB仿真对PID控制器参数整定，并同时证明了MATLAB仿真作用在PID控制器参数整定中的优越性。由此证明了MATLAB仿真在控制系统的参数整定中有着一般试凑法不可比拟的优势。利用MATLAB程序对实际系统的PID控制器参数进行仿真，大大减少了试凑法中反复修改参数、反复试运行的缺点，具有方便、快捷、省时、直观的优点。

（1）利用MATLAB对PID参数进行整定和仿真，省去了传统方法反复修改参数，反复试运行，方便、快捷、省时、直观。（2）增大比例系数将加快系统的响应，有利于减小静差，但是过大会使系统有较大的超调，使稳定性变坏；取值过小，会使系统的动作缓慢。（3）增大积分时间TI有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但系统静差消除时间变长；若TI过小，系统的稳态误差将难以消除，导致系统不稳定。（4）增大微分时间TD有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加。但TD不能过大，否则会使超调量增大，调节时间较长；若TD过小，同样超调量也增大，调节时间也较长。

4 PID控制器在汽车速度控制设计中的应用

控制器设计的最主要的问题是参数整定问题。在实际系统设计过程中，可以根据经验数据，先设定各个参数取值范围，然后利用MATLAB程序分析各个参数在设定范围内的变化对系统的影响。最后结合经验数据取值范围和分析出的参数对系统的影响规律对PID参数取值，使参数配合达到良好的效果，最终使系统满足性能指标要求。下面讨论汽车运动系统中PID参量的变化对系统控制作用的影响。在讨论一个参量的影响时，设其它参量为常数。

微分系数减小，系统响应速度越快；同时，超调量越大。是适当增大微分系数可以减小超调，改善系统动态性能。PID控制器比PI控制器的响应速度快，性能稳定。为了及时准确控制汽车起动时达到设计的性能要求，可以在其控制系统中加入PID控制，而PID控制器参数的选择是设计要解决的主要问题。

5 结语

通过汽车速度控制器的仿真设计可知，在传统的PID调节器中，确定、、3个参数的值，是对系统进行控制的关键。因此，控制最主要的问题是参数整定问题，在PID参数进行整定时，若有理论方法确定PID参数当然最为理想，但实际应用中，利用MATLAB强大的仿真工具箱的功能，可以方便地解决参数整定问题。

参考文献：

[1]王建辉，顾树生.自动控制原理.清华大学出版社，2007.

[2]李秋红，叶志峰，徐爱民.自动控制原理试验指导.国防工业出版社，2007.

[3]王政林.Matab/simulink与控制系统仿真.北京：电子工业出版社，2006.

[4]薛定宇.反馈控制系统设计与分析—MATLAB语言应用.北京：清华大学出版社，2000.