控制原理大作業(yè)

1、控制理論與應(yīng)用大作業(yè)學(xué) 部： 運(yùn)載工程與力學(xué)學(xué)部學(xué) 院： 汽車工程學(xué)院 班 級(jí)： 運(yùn)英1301 學(xué)生姓名： 盛鑫 學(xué) 號(hào)： 201373028 大連理工大學(xué)Dalian University of Technology作業(yè)題目：某直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)如下圖所示，其中電機(jī)電樞傳遞函數(shù)中的參數(shù)K為你學(xué)號(hào)的最后兩位數(shù)字。試按以下要求完成設(shè)計(jì)與分析，可團(tuán)隊(duì)完成，亦可單獨(dú)完成，團(tuán)隊(duì)成員不超過三人。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)1. 寫出被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。2. 設(shè)計(jì)PID控制器，分析控制器參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)單位階躍響應(yīng)的影響。3. 在實(shí)際工程應(yīng)用中，常常需要對(duì)控制器的輸出進(jìn)行限幅，請(qǐng)對(duì)限幅前后的系統(tǒng)性能進(jìn)行對(duì)比分析，并舉

2、例分析限幅的必要性。4. 目前有多種改進(jìn)的PID控制算法，請(qǐng)調(diào)研其中一種，并介紹其特點(diǎn)。5. 請(qǐng)結(jié)合自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本性能要求、各性能要求之間的關(guān)系或自動(dòng)控制的基本原理，從以下幾個(gè)方面中選取一個(gè)主題談?wù)劚鹃T課程學(xué)習(xí)對(duì)你的影響：（1）自動(dòng)控制理念對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律或文化的影響；（2）對(duì)你未來(lái)的研究、實(shí)踐、應(yīng)遵守的工程職業(yè)道德和規(guī)范、或應(yīng)履行的責(zé)任的影響。參加人員姓名班級(jí)學(xué)號(hào)主要負(fù)責(zé)模塊得分盛鑫運(yùn)英1302201373028全部1. 寫出被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。我的學(xué)號(hào)是201373028，K=28；被控對(duì)象的主要環(huán)節(jié)由G1G4組成，其傳遞函數(shù)為：通過matlab編寫：s=tf('s&#

3、39;); K=28; G1=K/(s+K); G2=13.33/s; G12=feedback(G1*G2,1); G3=26347/(s+599); G4=5.2; G=G12*G3*G4G = 5.114e07 - s3 + 627 s2 + 1.715e04 s + 2.236e052. 設(shè)計(jì)PID控制器，分析控制器參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)單位階躍響應(yīng)的影響。單位階躍輸入下，系統(tǒng)的期望輸出為1/H(s)=1/0.0118=84.7458。(1) 首先采用比例控制，令Kp分別取4、5、6、7、8，且Ti，Td=0時(shí)，繪制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線：s=tf('s'); K=28; G1=K/(

4、s+K); G2=13.33/s; G12=feedback(G1*G2,1); G3=26347/(s+599); G4=5.2; G=G12*G3*G4 for Kp=4:8 Gc=feedback(Kp*G,0.0118); step(Gc); hold on; end legend('Kp=2','Kp=3','Kp=4','Kp=5','Kp=6'); hold off; Kp調(diào)節(jié)對(duì)單位階躍響應(yīng)的影響由圖中可以看出，隨著比例系數(shù)Kp的增加，超調(diào)量增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，同時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差減小。隨著Kp的繼續(xù)增加

5、，會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 Kp繼續(xù)增大系統(tǒng)響應(yīng)(2) 采用PI控制，固定比例系數(shù)Kp=3，令Ti取0.03, 0.05, 0.07時(shí)，繪制該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線：s=tf('s'); K=28 G1=K/(s+K); G2=13.33/s; G12=feedback(G1*G2,1); G3=26347/(s+599); G4=5.2; G=G12*G3*G4;Kp=1; for Ti=0.05:0.02:0.09 PIGc=tf(Kp*Ti 1,Ti 0);%PI控制器傳遞函數(shù) Gc=feedback(PIGc*G,0.0118); step(Gc); hold on;endlege

6、nd('Ti=0.05','Ti=0.07','Ti=0.09');hold off; Ti調(diào)節(jié)對(duì)單位階躍響應(yīng)的影響隨著積分時(shí)間常數(shù)Ti的增加，積分作用就越弱。由圖中可以看出，引入積分環(huán)節(jié)后，能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；Ti越大，系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)響應(yīng)速度減慢；反之，Ti越小，系統(tǒng)的超調(diào)量越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性變差。(3) 采用PID控制，固定比例系數(shù)Kp=3，Ti=0.05，令Td分別取0.005, 0.01, 0.015時(shí)，繪制該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線：s=tf('s'); K=28

7、 G1=K/(s+K); G2=13.33/s; G12=feedback(G1*G2,1); G3=26347/(s+599); G4=5.2; G=G12*G3*G4;Kp=3;Ti=0.05;for Td=0.005 0.01 0.015 PIDGc=tf(Kp*Ti*Td Ti 1,Ti 0); %PID控制器傳遞函數(shù) Gc=feedback(PIDGc*G,0.0118); step(Gc),hold onendlegend('Td=0.005','Td=0.01','Td=0.015')hold off; Td調(diào)節(jié)對(duì)單位階躍響應(yīng)的影響

8、隨著微分時(shí)間常數(shù)Td的增加，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，調(diào)節(jié)時(shí)間減小，超調(diào)量下降，穩(wěn)定性得到了提高。但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力會(huì)減弱。3. 在實(shí)際工程應(yīng)用中，常常需要對(duì)控制器的輸出進(jìn)行限幅，請(qǐng)對(duì)限幅前后的系統(tǒng)性能進(jìn)行對(duì)比分析，并舉例分析限幅的必要性。取控制器參數(shù)Kp=3，Ti=0.07，Td=0.01，建立Simulink下的系統(tǒng)仿真模型如圖所示。由示波器Control Value可以觀察PID控制器的輸出（控制量）曲線在控制量輸出位置添加Saturation模塊，將控制器的輸出限定在-0.5 0.5之間.并與未限幅的系統(tǒng)性能進(jìn)行對(duì)比分析，用于對(duì)比的Simulink框架如圖所示。下圖為Scope2顯示的系

9、統(tǒng)階躍響應(yīng)對(duì)比曲線，可以看出進(jìn)行控制量限幅后系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，這是由于限幅導(dǎo)致控制器的控制強(qiáng)度變?nèi)醯木壒?。一種改進(jìn)方法是分段PID控制，即根據(jù)誤差的大小，設(shè)定不同的PID參數(shù)。在工程實(shí)際中，限幅可避免控制器計(jì)算出的過大控制量施加到執(zhí)行器或被控對(duì)象上，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性及工作壽命。對(duì)于輸出控制，充分發(fā)揮了PLC在軟件連鎖、互鎖方面的特長(zhǎng)。4. 目前有多種改進(jìn)的PID控制算法，請(qǐng)調(diào)研其中一種，并介紹其特點(diǎn)。增量式PID控制算法所謂增量式PID是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量(k)。增量式PID控制系統(tǒng)框圖如圖2-3所示。當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，可以由式(2-4)導(dǎo)出提

10、供增量的PID控制算式。根據(jù)遞推原理可得: （2-4）用式(2-3)減去式(2-4)，可得： （2-5）式(2-5)稱為增量式PID控制算法。增量式控制算法的優(yōu)點(diǎn)是誤動(dòng)作小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以保持原值，比較容易通過加權(quán)處理獲得比較好的控制效果。但是由于其積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出影響大。所以在選擇時(shí)不可一概而論。5. 請(qǐng)結(jié)合自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本性能要求、各性能要求之間的關(guān)系或自動(dòng)控制的基本原理，從以下幾個(gè)方面中選取一個(gè)主題談?wù)劚鹃T課程學(xué)習(xí)對(duì)你的影響：（1）自動(dòng)控制理念對(duì)社會(huì)、健康、安全、法律或文化的影響；（2）對(duì)你未來(lái)的研究、實(shí)踐、應(yīng)遵守的工程職業(yè)道德和規(guī)范、或應(yīng)履行的責(zé)任的影響。自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本性能要求包括穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)方面，此外還包括適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性等。同一系統(tǒng)這三方面的性能是相互制約的。提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，可能使動(dòng)態(tài)性能變壞；快速性的改善可能會(huì)引起系統(tǒng)的強(qiáng)烈振蕩；平穩(wěn)性好的系統(tǒng)又可能很遲緩。自動(dòng)控制的基本原理即是采用不同的系統(tǒng)校正方式，確定被控對(duì)象的輸入，以使輸出盡可能符合給定的最佳要求，從而提高系統(tǒng)性能。 法（控制器）的作用可以分為規(guī)范作用與社會(huì)（被控對(duì)象）作