CS_10控制系統(tǒng)計算機(jī)仿真應(yīng)用實例

1、第第10章章本章主要教學(xué)內(nèi)容本章主要教學(xué)內(nèi)容熟悉計算機(jī)仿真在實際系統(tǒng)設(shè)計中的基本應(yīng)用熟悉計算機(jī)仿真在實際系統(tǒng)設(shè)計中的基本應(yīng)用掌握利用掌握利用MATLAB和和Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真的進(jìn)行系統(tǒng)仿真的基本方法基本方法控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章本章教學(xué)目的及要求本章教學(xué)目的及要求掌握控制系統(tǒng)性能的分析和仿真處理過程掌握控制系統(tǒng)性能的分析和仿真處理過程熟練運用熟練運用MATLAB和和Simulink對系統(tǒng)仿真進(jìn)對系統(tǒng)仿真進(jìn)行編程行編程控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章 10.1 問題的描述問題的描述 如圖10-1所示的汽車

2、運動控制系統(tǒng)， 為了方便系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立和轉(zhuǎn)換，我們設(shè)定該系統(tǒng)中汽車車輪的轉(zhuǎn)動慣量可以忽略不計，并且假定汽車受到的摩擦阻力大小與汽車的運動速度成正比，摩擦阻力的方向與汽車運動的方向相反，這樣，可將圖10-1所示的汽車運動控制系統(tǒng)簡化為一個簡單的質(zhì)量阻尼系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章圖10-1 汽車運動示意圖 ubvmvv 控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章 根據(jù)牛頓運動定律，質(zhì)量阻尼系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型可表示為：控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例vyubvvm 為了分析方便，我們對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行

3、設(shè)定：汽車質(zhì)量m=1000kg，比例系數(shù)b=50 Ns/m，汽車的驅(qū)動力u=500 N。第第10章章 根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，當(dāng)汽車的驅(qū)動力為500N時，汽車將在5秒內(nèi)達(dá)到10m/s的最大速度。由于該系統(tǒng)為簡單的運動控制系統(tǒng)，因此將系統(tǒng)設(shè)計成10的最大超調(diào)量和2的穩(wěn)態(tài)誤差。這樣，該汽車運動控制 系統(tǒng)的性能指標(biāo)可以設(shè)定為：上升時間：5s；最大超調(diào)量：10；穩(wěn)態(tài)誤差：kp=100;m=1000;b=50;u=500;num=kp;den=m b+kp;t0:0.1:20;step(u*num,den,t); 得到如圖10-3所示的系統(tǒng)階躍響應(yīng)。從圖中可看到，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值太高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計要求，而

4、且系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和上升時間也不能滿足設(shè)計要求。 控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章圖10-3 比例控制器作用下的汽車階躍響應(yīng)（u=500）控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例02468101214161820050100150200250300350Step ResponseTime (seconds)Amplitude第第10章章 為此，可減小汽車的驅(qū)動力為10N，重新進(jìn)行仿真，得到如圖10-4所示的仿真結(jié)果。 從圖10-4可以看到，所設(shè)計的比例控制器仍不能滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和上升時間的設(shè)計要求。我們可以通過提高控制器的比例增益系數(shù)來改善

5、系統(tǒng)的輸出。 例如，將比例增益系數(shù)Kp從100提高到10000重新計算該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，結(jié)果如圖10-5所示。控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章圖10-4 比例控制器作用下的汽車階躍響應(yīng)（u=10）控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例0246810121416182001234567Step ResponseTime (seconds)Amplitude第第10章章圖10-5 u=10000時控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例0246810121416182001234567891011Step Res

6、ponseTime (seconds)Amplitude第第10章章（2）比例積分（PI）控制器的設(shè)計 采用比例積分控制的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)可表示為：IPIPKsKbmsKsKsUsY)()()( 增加積分環(huán)節(jié)的目的是減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，假設(shè)比例系數(shù)Kp=600，積分系數(shù)KI=1，編寫MATLAB程序代碼如下：kp=600;ki=1;m=1000;b=50;u=10;num=kp ki;den=m b+kp ki;t=0:0.1:20;step(u*num,den,t); 運行上述程序后可以得到如圖10-6所示的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章

7、章圖10-6 KP600，KI =1時控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例02468101214161820012345678910Step ResponseTime (seconds)Amplitude第第10章章 我們可以調(diào)節(jié)控制器的比例和積分系數(shù)來滿足系統(tǒng)的性能要求。 選擇比例系數(shù)KP800，積分系數(shù)KI =40時，可以得到如圖10-7所示的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。 從中可以看出，此時的控制系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)要求達(dá)到的性能指標(biāo)設(shè)計要求?？刂葡到y(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章圖10-7 KP800，KI =40時控制系統(tǒng)的

8、階躍響應(yīng)曲線控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例0246810121416182001234567891011Step ResponseTime (seconds)Amplitude第第10章章（3）比例積分微分（PID）控制器的設(shè)計采用PID控制的系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：IPDIPdKsKbsKmKsKsKsUsY)()()()()(2 假設(shè)該控制器的比例系數(shù)KP=1，積分系數(shù)KI =1，微分系數(shù)KD=1，編寫MATLAB程序代碼如下：kp=1;ki=1;kd=1;m=1000;b=50;u=10;num=kd kp ki;den=m+kd b+kp ki;t=0:0.1:4

9、0;step(u*num,den,t);控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章 運行上述程序，并且調(diào)整PID控制器的控制參數(shù)，直到控制器滿足系統(tǒng)設(shè)計的性能指標(biāo)要求為止。 我們選擇KP=600，KI =50，KD=10時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖10-8所示。 從圖中可以看出該系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計的總體性能要求?？刂葡到y(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章圖10-8 KP=600，KI =50，KD=10時控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例0510152025303540024681012Step Resp

10、onseTime (seconds)Amplitude第第10章章10.3.2 利用Simulink進(jìn)行仿真設(shè)計 圖10-1所示的汽車運動控制系統(tǒng)也可以利用Simulink進(jìn)行仿真設(shè)計。1求系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng) 利用Simulink建立系統(tǒng)階躍響應(yīng)模型，如圖10-9所示。雙擊Step模塊，設(shè)置模塊屬性：跳變時間為0；初始值為0；終止值為10；采樣時間為0。打擊按鈕開始仿真，雙擊Scope模塊，可以看到如圖10-10所示的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，該階躍響應(yīng)曲線與圖10-2所示的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線完全相同?？刂葡到y(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章 圖10-9 開環(huán)控制系統(tǒng)的階躍響

11、應(yīng)模型控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章圖10-10 Simulink仿真的開環(huán)控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章2PID控制器的設(shè)計 在Simulink的模型窗口建立一個包含PID控制器的閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)模型，如下圖10-11所示?？刂葡到y(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章 分別雙擊Kp、Ki、Kd模塊設(shè)定比例、積分、微分系數(shù)，點擊按鈕開始仿真，雙擊Scope模塊，觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，直到滿足要求為止。 圖10-12所示為KP=600，KI=50，KD=11時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，

12、與圖10-8所示的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線完全相同?？刂葡到y(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章圖10-12 Simulink仿真的汽車運動PID控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例控制系統(tǒng)的計算機(jī)仿真應(yīng)用實例第第10章章 水電機(jī)組在電網(wǎng)中的作用，主要擔(dān)負(fù)發(fā)電、調(diào)相、調(diào)峰、調(diào)頻以及事故備用任務(wù)。這些機(jī)組的運行特點是開、停頻繁，要求自動化程度高，以滿足電網(wǎng)的需要。因此對機(jī)組控制系統(tǒng)的要求較高，控制系統(tǒng)性能的好壞，直接影響機(jī)組能否正常穩(wěn)定運行。同時由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，廣泛采用新技術(shù)、新材料、新工藝，對機(jī)組進(jìn)行了技術(shù)改造，運行可靠性也有了很大的提高。使得對機(jī)組控制系統(tǒng)乃至整個

13、系統(tǒng)開展?fàn)顟B(tài)檢修成為可能。 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由壓力引水系統(tǒng)、調(diào)速器電氣部分、液壓隨動系統(tǒng)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、電網(wǎng)組成如下圖所示。它是一個集水、機(jī)、電一體的綜合控制系統(tǒng)。 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真第第10章章水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真 壓力引水系統(tǒng) 斷路器 水輪機(jī) 發(fā)電機(jī) 電網(wǎng) 液壓隨 動系統(tǒng) 調(diào)速器 油開關(guān) 給定 有功 網(wǎng)頻 壓力油系統(tǒng) 機(jī)組 頻率 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 第第10章章 調(diào)速器電氣部分：主要實現(xiàn)系統(tǒng)的控制規(guī)律和控制算法，針對不同的過程有不同的控制策略。主要體現(xiàn)在不同的控制規(guī)律和不同的控制參數(shù)上，控制參數(shù)主要包含比例系數(shù)(Kp)、積分系數(shù)(K

14、i)、微分系數(shù)(Kd)、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)(bp)。 液壓隨動系統(tǒng)：實現(xiàn)電氣信號向機(jī)械液壓信號的轉(zhuǎn)變和放大。主要包括電氣-液壓信號轉(zhuǎn)換裝置、液壓放大、(導(dǎo)葉操作)機(jī)械手臂和位置反饋等部分，如下頁圖所示。水輪機(jī)：將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。發(fā)電機(jī)：將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能電網(wǎng)：主要是提供其他用電部門需要的能量。水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真第第10章章水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真 控制油路過濾器 機(jī)械液壓過速閥 低壓關(guān)閉閥 壓力開關(guān) 啟/停機(jī)閥 緊急關(guān)機(jī)閥 電液伺服閥 控制關(guān)閉閥 快速關(guān)機(jī)控制閥 主配壓閥 主接力器 機(jī)械手臂 液壓隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 壓壓力力油油 第第10章章

15、液壓隨動系統(tǒng)分析 就液壓隨動系統(tǒng)而言，它主要由電氣液壓信號轉(zhuǎn)換裝置、液壓放大、（導(dǎo)葉操作）機(jī)械手臂和位置反饋等部分組成。其結(jié)構(gòu)有多種形式。在此以清江隔河巖水電站1號機(jī)組的液壓隨動系統(tǒng)為例，來分析其工作原理和故障情況。 電液伺服閥是將電氣信號轉(zhuǎn)換成具有一定操作能力的機(jī)械液壓信號，它是液壓隨動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，一般情況下以調(diào)速系統(tǒng)中電液伺服閥出現(xiàn)的故障頻率最高。 電液伺服閥作為將電氣信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械液壓信號的裝置，它有很多種類型，其中清江隔河巖水電站1號機(jī)組使用的是一種雙面噴嘴擋板式電液轉(zhuǎn)換器。其輸出為具有一定壓力的流量信號，它具有良好的動態(tài)性 能，不需要通過杠桿、引導(dǎo)閥等直接控制主配壓閥的移動，進(jìn)而

16、控制進(jìn)入主接力器的流量。水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真第第10章章 電液伺服閥是一個帶有死區(qū)、飽和、間隙的一階慣性環(huán)節(jié)。Tdd電液轉(zhuǎn)換器的時間常數(shù)，一般情況下Tdd很小，可以忽略不計，故可以看成一個比例環(huán)節(jié)。 主配壓閥用來直接控制導(dǎo)葉接力器。其是一個一階慣性環(huán)節(jié)，包含一個死區(qū)環(huán)節(jié)。 主接力器作為驅(qū)動機(jī)構(gòu)，它將調(diào)速器輸出的控制信號直接作用在水輪機(jī)的導(dǎo)葉上，控制導(dǎo)葉的開與關(guān)。其是一個積分環(huán)節(jié)。第第10章章 電液伺服閥建模 電液轉(zhuǎn)換器是將電氣信號轉(zhuǎn)換為閥芯的位移信號，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為有一定壓力的流量信號。它是調(diào)速系統(tǒng)中較為薄弱的環(huán)節(jié)，故障萌發(fā)率較高，故障模式如上表所示。在建模時對系統(tǒng)進(jìn)行

17、適當(dāng)?shù)睾喕?。主要包含比例環(huán)節(jié)、死區(qū)、飽和、間隙和故障切換與設(shè)置函數(shù)等環(huán)節(jié)。其中可以設(shè)置故障類型，故障時間。輸入為PID控制器輸出的控制信號，輸出為有一定壓力的流量信號。其封裝如下：(a) 內(nèi)部模型(b) 外部封裝(c) 模型外部特性圖 9 電液轉(zhuǎn)換器模型及其外部特性水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真第第10章章(a) 內(nèi)部模型(b) 外部封裝(c) 模型外部特性圖 9 電液轉(zhuǎn)換器模型及其外部特性第第10章章 主配壓閥 主配壓閥將閥芯的位移信號轉(zhuǎn)換為過流孔的流量信號，有一定的壓力，主要包含比例環(huán)節(jié)、死區(qū)、飽和、間隙和故障切換與設(shè)置函數(shù)等環(huán)節(jié)。其中可以設(shè)置故障類型，故障時間。輸入信號

18、簡化為電液轉(zhuǎn)換器的輸出開口的大小即閥芯的位移信號。輸出為有一定壓力的流量信號，用于驅(qū)動主接力器。其封裝如下：(a) 內(nèi)部模型(b) 外部封裝(c) 模型外部特性圖 10 主配壓閥模型及其外部特性 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真第第10章章(a) 內(nèi)部模型(b) 外部封裝(c) 模型外部特性圖 10 主配壓閥模型及其外部特性第第10章章 主接力器 主接力器是將壓力油信號轉(zhuǎn)換為機(jī)械手臂的位移信號，用于驅(qū)動導(dǎo)葉的開關(guān)。主要包含積分環(huán)節(jié)、飽和、間隙和故障切換與設(shè)置函數(shù)等環(huán)節(jié)。其中可以設(shè)置故障類型，故障時間。輸入信號簡化為主配壓閥輸出的壓力油。輸出為機(jī)械手臂的位移信號，用于驅(qū)動導(dǎo)葉的開

19、關(guān)。其封裝如下: (a) 內(nèi)部模型(b) 外部封裝(c) 模型外部特性圖 11 主接力器模型及其外部特性水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真第第10章章(a) 內(nèi)部模型(b) 外部封裝(c) 模型外部特性圖 11 主接力器模型及其外部特性第第10章章理想水輪機(jī)模型 水輪機(jī)是將水的勢能轉(zhuǎn)換為主軸的轉(zhuǎn)動力矩，它受控于水頭和導(dǎo)葉的開度。其封裝如下：水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真(a) 內(nèi)部模型(b) 外部封裝(c) 模型外部特性圖 12 水輪機(jī)模型及其外部特性第第10章章發(fā)電機(jī)模型 發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。 (a) 內(nèi)部模型(b) 外部封裝(c) 模型外部特性圖 1

20、3 發(fā)電機(jī)模型及其外部特性水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真(a) 內(nèi)部模型(b) 外部封裝(c) 模型外部特性圖 13 發(fā)電機(jī)模型及其外部特性第第10章章PID控制器 PID控制器是實現(xiàn)機(jī)組控制規(guī)律的主要部分。其模型如下：水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真第第10章章(a) 內(nèi)部模型(b) 外部封裝(c) 模型外部特性圖 14 PID控制器模型及其外部特性第第10章章液壓隨動系統(tǒng) 液壓隨動系統(tǒng)主要由電液轉(zhuǎn)換器、主配壓閥和主接力器組成。其封裝如下：水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)計算機(jī)仿真(a) 內(nèi)部模型(b) 外部封裝圖 15 電液轉(zhuǎn)換器模型及其外部特性(a) 內(nèi)部模型(b) 外部封裝圖 15 電液