matlab控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計

1、成績 課程設(shè)計報告 題 目 PID控制器應(yīng)用 課 程 名 稱 控制系統(tǒng)仿真 院 部 名 稱 機電工程學院 專 業(yè) 班 級 學 生 姓 名 學 號 課程設(shè)計地點 課程設(shè)計學時 指 導 教 師 金陵科技學院教務(wù)處制一、課程設(shè)計應(yīng)達到的目的應(yīng)用所學的自動控制基本知識與工程設(shè)計方法，結(jié)合生產(chǎn)實際，確定系統(tǒng)的性能指標與實現(xiàn)方案，進行控制系統(tǒng)的初步設(shè)計。應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，通過在MATLAB軟件上建立控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，對控制系統(tǒng)進行性能仿真研究，掌握系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。二、課程設(shè)計題目及要求1 單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真。 2 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真。3 反饋前饋控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真。4 采用S

2、mith 補償器克服純滯后的控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真。三、課程設(shè)計的內(nèi)容與步驟(1) 單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真。 （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) 無積分作用單回路控制系統(tǒng)大比例作用單回路控制系統(tǒng)（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

3、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)計及仿真。 （a） 已知主被控對象傳函W01(s) = 1 / (100s + 1)，副被控對象傳函W02(s) = 1 / (10s + 1)，副環(huán)干擾通道

4、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） （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？ 串級控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)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)改

5、善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率，具有較強的抗干擾能力，具有一定的自適應(yīng)能力，能夠準確及時地對系統(tǒng)的擾動進行校正，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) = 1 / (s2 +2s + 5)，前饋隨機干擾信號幅值 = 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

6、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 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)細節(jié)部分反饋前饋控制系統(tǒng)反饋前饋控制系統(tǒng)細節(jié)部分（e） 比較單回路控制系統(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，系統(tǒng)受到干擾較嚴重，加上前饋之后，可使系統(tǒng)不受干擾的影響。前饋反饋復合控制系統(tǒng)既發(fā)揮了前饋作用，可及時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擾動的影響。(4) 采用Smith 補償器克服純滯后的控制系

7、統(tǒng)的設(shè)計及仿真。(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)。 采用Smith補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）(e) 比較單回路控制系統(tǒng)及采用Smith 補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？ 采用Smith補償器的反饋控

8、制系統(tǒng)scope的圖像采用Smith補償器的反饋控制系統(tǒng)scope1的圖像單回路控制系統(tǒng)由上圖可知，采用smith補償后，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-e-0s)/(20s+1)引入smith預(yù)估補償器,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。四、問題和解決方法 在本課程設(shè)計中遇到不少的問題，主要體現(xiàn)在對PID調(diào)節(jié)的理解薄弱，導致后面的對PID參數(shù)的調(diào)節(jié)有一定的盲目性，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)時間過長，影響對結(jié)果的分析，后通過對PID調(diào)節(jié)進行資料的查詢，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)計的要求。5、 心得體會 在課程設(shè)計的過程中，通過對所遇到的問題進行分析，加深了對課本知識的理解，同時也通過課程設(shè)計，我的相應(yīng)的知識水平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)的幾個特點：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)