典型二階控制系統(tǒng)的分析與綜合設計

北方民族大學控制系統(tǒng)仿真與設計綜合實訓控制系統(tǒng)仿真與設計綜合實訓任務書第一部分總則課程名稱：控制系統(tǒng)仿真與設計綜合實訓課程代碼：z3507507年級專業(yè)：2019級自動化學時學分：16學時，1學分成績占比：報告50%+答辯50%指導教師：劉芳、潘俊濤、張巍巍馮翼一綜合實訓的目的1、培養(yǎng)學生查閱文獻、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力；2、提高學生理論聯(lián)系實際的能力；3、培養(yǎng)學生對自動控制系統(tǒng)的分析與設計能力；4、培養(yǎng)學生對經典控制理論的系統(tǒng)性認知能力以及靈活運用相關理論解決實際工程問題的能力。第三部分設計任務及要求題目1Ｉ型三階系統(tǒng)的分析與綜合設計一、設計目的1、通過綜合實訓熟悉頻域法分析系統(tǒng)的方法原理；2、通過綜合實訓掌握滯后—超前校正作用與原理三、具體要求1、要求分別用手工設計方法和計算機編程設計方法設計校正裝置，可以是多個；根據設計結果，在計算機上進行仿真驗證；利用線性組件（運算放大器、電阻、電容等）構成各種環(huán)節(jié)。實現(xiàn)校正前、后系統(tǒng)，并得到校正前后系統(tǒng)的階躍響應。由上述結果，你可以得出怎樣的結論。二、設計任務題目7基于ZN法的PID校正分析與綜合設計已知軋鋼車間加熱爐的傳遞函數為，其溫度傳感器與變送器的傳遞函數為

，試用Ziegler-Nichols整定法計算P、PI、PID控制器的參數，并進行階躍響應的仿真。綜合實訓報告中要求寫清楚計算分析的過程，列出MATLAB程序和MATLAB輸出。由上述結果，你可以得出怎樣的結論。

引言1校正前系統(tǒng)性能分析22.1穩(wěn)態(tài)性能22.2動態(tài)性能8校準裝置設計93.1控制系統(tǒng)類型分類93.2系統(tǒng)建模113.3頻域法進行校正13校正后系統(tǒng)性能分析144.1運用matlab進行時域仿真144.3時域性能結果15設計總結及心得體會18五、參考文獻19

摘要Ziegler-Nichols

整定方法

Ziegler一Nichols

法是一種基于頻域設計

PID控制器的方法。

基于頻域的參數整定是需要參考模型的，首先需要辨識出一個能較好反映被控對象頻域特性的二階模型。根據這樣的模型，結合給定的性能指標可推導出公式，而后用于PID參數的整定。

基于頻域的設計方法在一定樣度上回避了精確的系統(tǒng)建模，而且有較為明確的物理意義，比常規(guī)的PID控制可適應的場合更多。

目前已經有一些基于頻域設計PID控制器的方法，如Ziegler一Nichols法，Cohen一Coon法等。Ziegler一Nichols法是最常用的整定PID參數的方法。

Ziegler-Nichols

法是根據給定對象的瞬態(tài)響應特性來確定

PID控制器的參數。2.設計意義（1）培養(yǎng)學生查閱文獻、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力；（2）提高學生理論聯(lián)系實際的能力；（3）培養(yǎng)學生對自動控制系統(tǒng)的分析與設計能力；（4）培養(yǎng)學生對經典控制理論的系統(tǒng)性認知能力以及靈活運用相關理論解決實際工程問題的能力。（5）通過課程設計熟悉溫度控制系統(tǒng)的工作原理；（6）通過課程設計掌握溫度控制系統(tǒng)的分析方法；（7）通過課程設計掌握控制器的設計方法；（8）通過在實際控制系統(tǒng)中校正設計的運用，理解系統(tǒng)校正在實際工程中的意義。

3.校正前的系統(tǒng)分析系統(tǒng)輸出圖像曲線4.校正后系統(tǒng)性能分析4.1系統(tǒng)階躍相應曲線圖4．2利用方法二將比例控制Kp值由零增大到系統(tǒng)的輸出首次出現(xiàn)持續(xù)的等幅震蕩，此時對應的Kp值為臨界增益Kc,振蕩周期Tc，此時Ti=∝，Td=04.3校正裝置選定利用ZN法經驗公式二計算5.1校正后系統(tǒng)傳遞函數試第一次調節(jié)出等幅震蕩，圖像如下再次嘗試調節(jié)出等幅震蕩利用ZN法二計算出PI調節(jié)器為P=1.39I=0.0084圖像如下利用ZN法計算出，PID調節(jié)器為P=1.625I=0.011D=36.756.MATLAB仿真實驗及結果6.1MATLAB函數ziegler()function[Gc,Kp,Ti,Td,H]=ziegler(key,vars)Ti=[];Td=[];H=[];iflength(vars)==4K=vars(1);L=vars(2);T=vars(3);N=vars(4);a=K*L/T;ifkey==1Kp=1/a;elseifkey==2Kp=0.9/a;Ti=3.33*L;elseifkey==3Kp=1.2/a;Ti=2*L;Td=L/2;endelseiflength(vars)==5K=vars(1);Tc=vars(2);N=vars(3);ifkey==1Kp=0.5*K;elseifkey==2Kp=0.4*K;Ti=0.8*Tc;elseifkey==3Kp=0.6*K;Ti=0.5*Tc;Td=0.12*Tc;endelseiflength(vars)==5K=vars(1);Tc=vars(2);rb=vars(3);pb=pi*vars(4)/180;N=vars(5);Kp=K*rb*cos(pb);ifkey==2Ti=-Tc/(2*pi*tan(pb));elseifkey==3Ti=Tc*(1+sin(pb))/(pi*cos(pb));Td=Ti/4;endendswitchkeycase1Gc=Kp;case2Gc=tf(Kp*[Ti,1],[Ti,0]);case3nn=[Kp*Ti*Td*(N+1)/N,Kp*(Ti+Td/N),Kp];dd=Ti*[Td/N,1,0];Gc=tf(nn,dd);end6.2MATLAB程序及曲線圖k=1.0593;T=110;L=100;n1=[k];d1=[T1];G1=tf(n1,d1);[np,dp]=pade(L,2);Gp=tf(np,dp);[Gc1,Kp1]=ziegler(1,[k,L,T,1]);Gc1[Gc2,Kp2,Ti2]=ziegler(2,[k,L,T,1]);Gc2[Gc3,Kp3,Ti3,Td3]=ziegler(3,[k,L,T,1]);Gc3G_c1=feedback(G1*Gc1,Gp);step(G_c1);holdonG_c2=feedback(G1*Gc2,Gp);step(G_c2);G_c3=feedback(G1*Gc3,Gp);step(G_c3);Gc1=1.3333359.6s+1.2Gc2=299.7s25920s^2+360s+1.6Gc3=8100s^2+180s分析：由于該控制系統(tǒng)是比例積分微分控制參數決定工作狀態(tài)，

從整個仿真試驗過程可以看出，在系統(tǒng)中加入了PID控制器，可以明顯的改善系統(tǒng)性能特性，提高產品的控制品質。雖然也會有震蕩現(xiàn)象，但是震蕩時間短，系統(tǒng)可以更快速進入穩(wěn)定。心得體會通過這次的自動控制理論課程設計，我們更多的是認識到自己的不足之處比較多。例如這款APP，我們是第一次接觸，進行模擬仿真的時候，我們都得從這個軟件的基礎開始學習。程序代碼也得從最基礎的開始學習。很多基礎的問題都得請教劉老師，我們甚至迷茫到連課程設計要我們做什么都不知道，該怎樣做更是滿臉迷惑。最后從指導老師那里我們才知道我們應該從哪里入手，理清了大概思路，我們才知道自己應該做哪些步驟，這樣做。我們在編寫程序的敵后就遇到了一個大麻煩。我們所參考的書本資料和網上的資料分析的例題都是一節(jié)微分環(huán)節(jié)加一個之后環(huán)節(jié)，而我們遇到的是兩個慣性環(huán)節(jié)加一個滯后環(huán)節(jié)。導致在求時間τ上面費了很大勁。通過這次的課程設計我們意識到依據我們自身的知識和能力，想要完成一個設計是多么的艱難。需要私下掌握的東西太多了，學習的東西更多。只有將理論更好的運用到實際生活中，我們才能真正的認識到自己的能力，才能真正了解我們是否真正的掌握了知識，我更相信實踐是檢驗真理的唯一標準。在以后的學習中，我們也將更加的完備自身的不足，提升自己的能力。二、課程設計結論

基于MATLAB的SIMULINK仿真環(huán)境下的PID參數整定法，在

simulink仿真環(huán)境下進行PID仿真試驗，可以隨時修改PID的參數，對系統(tǒng)的運行情況進行同步仿真，減少了在現(xiàn)實中的試驗時間，節(jié)省了財力和人力的投入，并且極大地縮短了試驗周期，對提高產品的過程質量具有相當實際的意義。

課程設計過程中的收獲：更加了解了仿真的重要性與實用性。也

更加深入了解了控制理論的重要性，讓我們更好了解PID控制器的3個參數的