Matlab--采用低通滤波器的PID控制

  被控对象的传递函数:
        在这里插入图片描述
  低通滤波器为:
        在这里插入图片描述
采样时间为1ms,噪声信号加在对象的输出端。

输出模型的变换参考下面:
%%参考给出网站
然后得到

y ( k ) + a 1 y ( k − 1 ) + ⋅ ⋅ ⋅ + a n y ( n − k ) = b 0 u ( k ) + b 1 u ( k − 1 ) + ⋅ ⋅ ⋅ + a n u ( n − k ) y(k)+a_{1}y(k-1)+···+a_{n}y(n-k)=b_{0}u(k)+b_{1}u(k-1)+···+a_{n}u(n-k) y(k)+a1y(k1)++any(nk)=b0u(k)+b1u(k1)++anu(nk)
y ( k ) + d e n 1 y ( k − 1 ) + ⋅ ⋅ ⋅ + d e n n y ( n − k ) = n u m 0 u ( k ) + n u m 1 u ( k − 1 ) + ⋅ ⋅ ⋅ + n u m n u ( n − k ) y(k)+den_{1}y(k-1)+···+den_{n}y(n-k)=num_{0}u(k)+num_{1}u(k-1)+···+num_{n}u(n-k) y(k)+den1y(k1)++denny(nk)=num0u(k)+num1u(k1)++numnu(nk)
y ( k ) = − d e n 1 y ( k − 1 ) − ⋅ ⋅ ⋅ − d e n n y ( n − k ) + n u m 0 u ( k ) + n u m 1 u ( k − 1 ) + ⋅ ⋅ ⋅ + n u m n u ( n − k ) y(k)=-den_{1}y(k-1)-···-den_{n}y(n-k)+num_{0}u(k)+num_{1}u(k-1)+···+num_{n}u(n-k) y(k)=den1y(k1)denny(nk)+num0u(k)+num1u(k1)++numnu(nk)
通常分子的系数要大于分母的系数,即m<n

%PID Controller with Partial differential
clear all;
close all;

ts=0.001;
sys=tf(5.235e005,[1,87.35,1.047e004,0]);  %%连续系统的模型
dsys=c2d(sys,ts,'z');                     %%离散化
[num,den]=tfdata(dsys,'v');               %%得到离散化后的分子分母

u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0;
y_1=0;y_2=0;y_3=0;
yn_1=0;
error_1=0;error_2=0;ei=0;

kp=0.20;ki=0.05;

sys1=tf([1],[0.04,1]);   %Low Freq Signal Filter
dsys1=c2d(sys1,ts,'tustin');
[num1,den1]=tfdata(dsys1,'v');
f_1=0;

M=3;                    %%%选择的方式
for k=1:1:1000
time(k)=k*ts;           %%输出的时间控制

yd(k)=20;  %Step Signal            %%希望的理想输出为20的阶跃信号

%Linear model         
y(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2-den(4)*y_3+num(2)*u_1+num(3)*u_2+num(4)*u_3;  %%线性模型

if M==1                 %没有噪声信号
   error(k)=yd(k)-y(k); 
   filty(k)=y(k);
end

n(k)=5.0*rands(1);      %Noisy signal
yn(k)=y(k)+n(k);

if M==2                 %No filter
   filty(k)=yn(k);
   error(k)=yd(k)-filty(k);
end
if M==3                 %使用低通滤波器呀
   filty(k)=-den1(2)*f_1+num1(1)*(yn(k)+yn_1);
   error(k)=yd(k)-filty(k);
end

%I separation            %%积分的隔离
if abs(error(k))<=0.8
   ei=ei+error(k)*ts;
else
   ei=0;
end
   u(k)=kp*error(k)+ki*ei;               %%计算输出
%----------Return of PID parameters------------
yd_1=yd(k);
u_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);  
y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=y(k);

f_1=filty(k);
yn_1=yn(k);

error_2=error_1;
error_1=error(k);
end
figure(1);
subplot(211);
plot(time,yd,'r',time,filty,'k:','linewidth',2);
xlabel('time(s)');ylabel('yd,y');
legend('Ideal position signal','Position tracking');
subplot(212);
plot(time,u,'r','linewidth',2);
xlabel('time(s)');ylabel('u');
figure(2);
plot(time,n,'r','linewidth',2);
xlabel('time(s)');ylabel('Noisy signal');

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

### 设置和调整Simulink中的PID控制器滤波器系数 在Simulink环境中配置PID控制器的滤波器系数涉及多个方面,包括理解PID控制机制以及如何通过图形界面或脚本方式修改这些参数。 #### PID 控制基础概念 PID 控制是一种线性反馈控制方法,其核心思想是利用被控量的偏差及其变化率来进行控制PID 控制器由三个部分组成:比例环节 (P)、积分环节 (I) 和微分环节 (D)[^1]。对于微分项而言,引入滤波器是为了减少高频噪声的影响,提高系统的稳定性和平滑度。 #### 使用Simulink内置功能设置PID滤波器 当在Simulink中使用`PID Controller`模块时,默认情况下可以选择带有或不带预设的一阶低通滤波器应用于微分动作上。要访问此选项: - 打开包含PID Controller模块的模型。 - 双击该模块进入属性编辑窗口。 - 在弹出对话框内找到“Filter Coefficient N”字段,在这里可以直接输入数值N用于定义一阶低通滤波器的时间常数Td/N;其中Td代表微分时间常数[^2]。 ```matlab % MATLAB命令行示例代码,假设已经创建了一个名为pidControllerBlockName的PID控制器对象 set_param(pidControllerBlockName,'FilterCoefficient','10') % 将滤波器系数设定为10 ``` #### 自动化调优工具的应用 为了简化手动调试过程并获得更优化的结果,可以采用自动化手段如`systune`函数来寻找最佳匹配的PID参数集,这同样适用于确定合适的滤波器系数。这种方法允许用户指定性能目标并通过迭代计算得出接近理想的解决方案[^4]。 #### 实际案例对比分析 实际应用中发现,即使两个PI控制器具有相同的参数配置,由于是否具备抗饱和积分特性等因素的不同,它们的表现也会有所差异。因此合理选择及调整各组成部分(含滤波器)至关重要以达到预期的效果[^3]。
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