matlab設(shè)計(jì)報(bào)告-PID控制器應(yīng)用

1、成績 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目 PID控制器應(yīng)用 課 程 名 稱 控制系統(tǒng)仿真 院 部 名 稱 專 業(yè) 自動化 班 級 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn) 課程設(shè)計(jì)學(xué)時(shí) 一周 指 導(dǎo) 教 師 金陵科技學(xué)院教務(wù)處制一、課程設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的目的應(yīng)用所學(xué)的自動控制基本知識與工程設(shè)計(jì)方法，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)與實(shí)現(xiàn)方案，進(jìn)行控制系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，通過在MATLAB軟件上建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對控制系統(tǒng)進(jìn)行性能仿真研究，掌握系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。二、課程設(shè)計(jì)題目及要求1 單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真。 2 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真。3 反饋前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真。4 采用S

2、mith 補(bǔ)償器克服純滯后的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真。三、課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容與步驟(1) 單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真。 （a） 已知被控對象傳函W(s) = 1 / (s2 +20s + 1)。（b） 畫出單回路控制系統(tǒng)的方框圖。 （c） 用MatLab的Simulink畫出該系統(tǒng)。（d） 選PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)使系統(tǒng)的控制性能較好，并畫出相應(yīng)的單位階約響應(yīng)曲線。注明所用PID調(diào)節(jié)器公式。PID調(diào)節(jié)器公式Wc（s）=50(5s+1)/(3s+1) 給定值為單位階躍響應(yīng)幅值為3。有積分作用單回路控制系統(tǒng)PID控制器取參數(shù)分別為：50 3 5有積分作用單回路控制系統(tǒng)PID控制器取參數(shù)分別為：50 0 5 大

3、比例作用單回路控制系統(tǒng)PID控制器取參數(shù)分別為：50 0 0（e） 修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性或單位階約響應(yīng)曲線，理解控制器參數(shù)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制性能的影響？答：由上圖分別可以看出無積分作用和大比例積分作用下的系數(shù)響應(yīng)曲線，這兩個(gè)PID調(diào)節(jié)的響應(yīng)曲線均不如前面的理想。增大比例系數(shù)將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞；增大積分時(shí)間有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長，加入微分環(huán)節(jié)，有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加。(2) 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真。 （a） 已知主被控對象傳函W01(

4、s) = 1 / (100s + 1)，副被控對象傳函W02(s) = 1 / (10s + 1)，副環(huán)干擾通道傳函Wd(s) = 1/(s2 +20s + 1)。（b）畫出串級控制系統(tǒng)方框圖及相同控制對象下的單回路控制系統(tǒng)的方框圖。（c） 用MatLab的Simulink畫出上述兩系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)（d） 選PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)使串級控制系統(tǒng)的控制性能較好，并畫出相應(yīng)的單位階約響應(yīng)曲線,PID調(diào)節(jié)器傳函：主：Wc（s）=100（40s+1）/ (s+1) 副：Wc(s)=100/（20s+1） 串級控制系統(tǒng)系統(tǒng)PID控制器取參數(shù)分別為：100 1 40；5 0 0單回路控制系統(tǒng)P

5、ID控制器取參數(shù)分別為：100 1 40 （e） 比較單回路控制系統(tǒng)及串級控制系統(tǒng)在相同的副擾動下的單位階約響應(yīng)曲線，并說明原因？答：比較兩控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)可得到串級控制系統(tǒng)的效果比較好。原因：串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，適用于時(shí)間常數(shù)及純滯后較大的對象。串級控制系統(tǒng)改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，具有一定的自適應(yīng)能力，能夠準(zhǔn)確及時(shí)地對系統(tǒng)的擾動進(jìn)行校正，防止擾動對系統(tǒng)的影響。(3) 反饋前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真。 （a） 已知被控對象傳函W0(s) = 1 / (s2 +s + 1)，干擾通道傳函Wf(s)

6、= 1 / (s2 +2s + 5)，前饋隨機(jī)干擾信號幅值 = 50， 頻率 = 10。（b） 確定前饋控制器的傳函Wm(s)，并畫出反饋前饋控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖及相應(yīng)的單回路控制系統(tǒng)的方框圖。（c） 用MatLab的Simulink畫出上述兩系統(tǒng)。反饋前饋控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)（d） 選PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)使系統(tǒng)的控制性能較好，并畫出相應(yīng)的單位階約響應(yīng)曲線。PID調(diào)節(jié)器傳函：Wc(s)=30(10s+1) / (5s+1) 設(shè)干擾源幅值為50，頻率為10 Hz 反饋前饋控制系統(tǒng)PID控制器取參數(shù)分別為：30 5 10單回路控制系統(tǒng)PID控制器取參數(shù)分別為：30 5 10（e） 比較單回路控制系

7、統(tǒng)及反饋前饋控制系統(tǒng)在相同的單位階約擾動下的響應(yīng)曲線，并說明原因？ 答：單回路與前饋反饋系統(tǒng)的響應(yīng)差別不是很大，由上圖可知不加前饋時(shí)，系統(tǒng)受到干擾較嚴(yán)重，加上前饋之后，可使系統(tǒng)不受干擾的影響。前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)既發(fā)揮了前饋?zhàn)饔?，可及時(shí)克服主要擾動對被控量影響，又可保持了反饋控制能克服多個(gè)擾動的影響。(4) 采用Smith 補(bǔ)償器克服純滯后的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真。(a) 已知被控對象傳函W0(s) = e - 4 s / (20s + 1)。 (b) 畫出采用Smith 補(bǔ)償器的反饋控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖及相應(yīng)的單回路控制系統(tǒng)的方框圖。 (c) 用MatLab的Simulink畫出上述兩系統(tǒng)。

8、采用Smith補(bǔ)償器的反饋控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)(d) 選PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)使采用Smith 補(bǔ)償器的反饋控制系統(tǒng)的控制性能較好，并畫出相應(yīng)的單位階約響應(yīng)曲線。PID調(diào)節(jié)器傳函：Wc(s)=40 /（2s+1）采用Smith補(bǔ)償器的反饋控制系統(tǒng)scope的圖像PID控制器取參數(shù)分別為：40 2 0采用Smith補(bǔ)償器的反饋控制系統(tǒng)scope1的圖像PID控制器取參數(shù)分別為：40 2 0單回路控制系統(tǒng)PID控制器取參數(shù)分別為：40 2 0由上圖可知，采用smith補(bǔ)償后，可以完全消除滯后對系統(tǒng)的影響，而單回路控制系統(tǒng)不能消除滯后，使系統(tǒng)輸出產(chǎn)生失真。Ws(s)=Wo(s)(1-e-0s)=(1-

9、e-0s)/(20s+1)引入smith預(yù)估補(bǔ)償器,使調(diào)節(jié)器鎖控制的等效對象變?yōu)椋篧o(s)e-0s+Wo(s)(1-e-0s)=(1-e-0s)/(20s+1)+e-0s/(20s+1)=1/(20s+1)=Wo(s)從而消去純滯后部分對系統(tǒng)穩(wěn)定的不利影響。(e) 比較單回路控制系統(tǒng)及采用Smith 補(bǔ)償器的反饋控制系統(tǒng)在相同的單位階躍擾動下的響應(yīng)曲線，并說明原因？答：在沒有補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候，其單位階躍響應(yīng)曲線在擾動下發(fā)生的位置相對靠后，但是增加了滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)，它的圖像發(fā)生的靠前了，這就是增加了補(bǔ)償?shù)脑颉Ｓ缮蠄D可知，采用smith補(bǔ)償后，可以完全消除滯后對系統(tǒng)的影響，而單回路控制系統(tǒng)不能消除滯后

10、，使系統(tǒng)輸出產(chǎn)生失真。四、問題和解決方法 在本課程設(shè)計(jì)中遇到不少的問題，主要體現(xiàn)在對PID調(diào)節(jié)的理解薄弱，導(dǎo)致后面的對PID參數(shù)的調(diào)節(jié)有一定的盲目性，不了解PID在系統(tǒng)的性能調(diào)控中起到的作用，在以上的過程中，主要體現(xiàn)在響應(yīng)曲線的平滑性不怎么好，超調(diào)時(shí)間過長，影響對結(jié)果的分析，后通過對PID調(diào)節(jié)進(jìn)行資料的查詢，翻閱相關(guān)的書籍，加深理解，使得在響應(yīng)曲線的調(diào)節(jié)過程中調(diào)節(jié)變得有目的性，最終使調(diào)節(jié)出來的響應(yīng)曲線符合課程設(shè)計(jì)的要求。5、 心得體會在課程設(shè)計(jì)的過程中，通過對所遇到的問題進(jìn)行分析和思考，加深了對課本知識的理解，同時(shí)也通過課程設(shè)計(jì)，使我的相應(yīng)的知識水平和對MATLAB的使用也獲得了一定的提高。在對PID參數(shù)的調(diào)節(jié)過程中，我總結(jié)出了PID調(diào)節(jié)的幾個(gè)特點(diǎn)：增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞；增大積分時(shí)間有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變