仿真課程設(shè)計(jì)--pi控制單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、摘要- 2 -</p><p>　　二、課程設(shè)計(jì)任務(wù)- 3 -</p><p>　　三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容- 3 -</p><p>　　1、PID控制原理及PID參數(shù)整定概述- 3 -</p><p>　　2、基于穩(wěn)定邊界法

2、（臨界比例法）的PID控制器參數(shù)整定算法- 5 -</p><p>　　3、利用Simulink建立仿真模型- 8 -</p><p>　　4、參數(shù)整定過(guò)程- 12 -</p><p>　　5、調(diào)試分析過(guò)程及仿真結(jié)果描述- 16 -</p><p>　　四、總結(jié)- 17 -</p><p>　　五、參考文獻(xiàn)

3、- 17 -</p><p>　　PI控制單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)</p><p>　　班級(jí)：自動(dòng)化 學(xué)號(hào)： 姓名： </p><p><b>　　一、摘要</b></p><p>　　本文通過(guò)利用Matlab仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，，包括單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理、對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)

4、態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行分析、根據(jù)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器、根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的具體要求設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的Simulink仿真模型，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能，通過(guò)穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）整定PID參數(shù)，從而達(dá)到較好的控制性能要求，在這種實(shí)踐的學(xué)習(xí)和調(diào)試中，使學(xué)生更系統(tǒng)地掌握所學(xué)知識(shí)并能夠應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范、Matla-simulin建模方法步驟、計(jì)算手冊(cè)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算。</p><p>　

5、　在對(duì)調(diào)速性能有較高要求的領(lǐng)域，如果直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能不滿足要求，可利用速度負(fù)反饋提高穩(wěn)態(tài)精度，而采用比例調(diào)節(jié)器的負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)仍是有靜差的，為了消除系統(tǒng)的靜差，可利用積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。</p><p>　　通過(guò)對(duì)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運(yùn)算放大器組成的調(diào)節(jié)器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機(jī)模型和測(cè)速電機(jī)等模塊的理論分析，比較原始系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的差別，得出直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的最優(yōu)模型。然后用

6、此理論去設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真進(jìn)行正確性的驗(yàn)證。</p><p><b>　　二、課程設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　已知單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖所示</p><p>　?。?）請(qǐng)采用試湊法或穩(wěn)定邊界法整定兩個(gè)PI控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下快速性好，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。</p><p>

7、　?。?）請(qǐng)采用試湊法或穩(wěn)定邊界法整定兩個(gè)PI控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下超調(diào)量小，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。</p><p><b>　　三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　1、PID控制原理及PID參數(shù)整定概述</p><p>　　PID控制原理：在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又

8、稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象,或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控

9、制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。</p><p><b>　　比例（P）控制</b></p><p>　　比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調(diào)節(jié)控制輸出，使被控量朝著減小偏差的方向變化，偏差減小的速度取決于比例系數(shù)Kp，Kp越大偏差減小的越快，但是

10、很容易引起振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下，Kp減小，發(fā)生振蕩的可能性減小但是調(diào)節(jié)速度變慢。但單純的比例控制存在穩(wěn)態(tài)誤差不能消除的缺點(diǎn)。這里就需要積分控制。</p><p><b>　　積分（I）控制</b></p><p>　　在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差

11、的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。實(shí)質(zhì)就是對(duì)偏差累積進(jìn)行控制，直至偏差為零。積分控制作用始終施加指向給定值的作用力，有利于消除靜差，其效果不僅與偏差大小有關(guān)，而且</p

12、><p>　　還與偏差持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把偏差積累起來(lái)，一起算總帳。</p><p><b>　　微分（D）控制</b></p><p>　　在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差

13、的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。</p><p>　　PID參數(shù)整定概述：PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。

14、這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有穩(wěn)定邊界法（臨界比例法）、反應(yīng)曲線法和衰減法。</p><p>　　三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)</p><p>　　公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行

15、整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。</p><p>　　PID參數(shù)整定口訣：</p><p>　　參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查</p><p>　　先是比例后積分，最后再把微分加</p><p>　　曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大</p><p>　　曲線漂浮繞大灣，

16、比例度盤往小扳</p><p>　　曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降</p><p>　　曲線波動(dòng)周期長(zhǎng)，積分時(shí)間再加長(zhǎng)</p><p>　　曲線振蕩頻率快，先把微分降下來(lái)</p><p>　　動(dòng)差大來(lái)波動(dòng)慢。微分時(shí)間應(yīng)加長(zhǎng)</p><p>　　理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1</p><p>　　

17、一看二調(diào)多分析，調(diào)節(jié)質(zhì)量不會(huì)低</p><p>　　2、基于穩(wěn)定邊界法（臨界比例法）的PID控制器參數(shù)整定算法</p><p>　　使用穩(wěn)定邊界法整定PID參(Z-N Method)</p><p><b>　　分為以下幾步:</b></p><p>　　1）將積分系數(shù)KI和微分系數(shù)KD設(shè)為0，KP置較小值，使系統(tǒng)投入穩(wěn)

18、定運(yùn)行。 </p><p>　　2）逐漸增大比例系數(shù) KP，直到系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定等幅振蕩，即臨界振蕩過(guò)程。記錄此時(shí)的KP和臨界振蕩的振蕩周期T。 </p><p>　　3）按照下表的經(jīng)驗(yàn)公式以及對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)器類型整定相應(yīng)的PID參數(shù)，然后再進(jìn)行仿真校驗(yàn)和微調(diào)。 </p><p><b>　　具體步驟：</b></p><p>

19、　　在Simulink下搭建系統(tǒng)框圖如下</p><p>　　設(shè)置PID參數(shù)名稱其仿真環(huán)境參數(shù)</p><p>　　分別雙擊三個(gè)Gain元件，并在彈出的對(duì)話框中填入相應(yīng)的變量名，比如Kp,Ki。</p><p>　　在仿真環(huán)境設(shè)置中將“Stop Time”設(shè)為1.0， “Relative tolerance”設(shè)為1e-5。</p><p>　

20、　3）初始化參數(shù)并逐步整定PID參數(shù)</p><p>　　在MATLAB的Command Window輸入：Kp=1;Ki=0;</p><p>　　然后回到Simulink界面，就可以開始仿真了。初始參數(shù)的意義即相當(dāng)于沒(méi)有PID調(diào)節(jié)器的校正前系統(tǒng)。點(diǎn)擊Start開始仿真。</p><p>　　3、利用Simulink建立仿真模型</p><p&

21、gt;　　Simulink 中的“Simu”一詞表示可用于計(jì)算機(jī)仿真，而“Link”一詞表示它能進(jìn)行系統(tǒng)連接，即把一系列模塊連接起來(lái)，構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)模型。作為MATLAB的一個(gè)重要組成部分，Simulink由于它所具有的上述的兩大功能和特色，以及所提供的可視化仿真環(huán)境、快捷簡(jiǎn)便的操作方法，而使其成為目前最受歡迎的仿真軟件。</p><p>　　Simulink建模步驟</p><p>　　

22、1）啟動(dòng)Simulink。</p><p>　　單擊MATLAB Command窗口工具條上的Simulink圖標(biāo)，或者在MATLAB命令窗口輸入simulink，即彈出圖示的模塊庫(kù)窗口界面(Simulink Library Browser)。該界面右邊的窗口給出Simulink所有的子模塊庫(kù)。</p><p>　　2) 打開空白模型窗口</p><p>　　模型窗

23、口用來(lái)建立系統(tǒng)的仿真模型。只有先創(chuàng)建一個(gè)空白的模型窗口，才能將模塊庫(kù)的相應(yīng)模塊復(fù)制到該窗口，通過(guò)必要的連接，建立起Simulink仿真模型。也將這種窗口稱為Simulink仿真模型窗口。</p><p>　　以下方法可用于打開一個(gè)空白模型窗口：</p><p>　　在MATLAB主界面中選擇【File:NewModel】菜單項(xiàng)；</p><p>　　單擊模塊庫(kù)瀏覽器

24、的新建圖標(biāo) ；</p><p>　　選中模塊庫(kù)瀏覽器的【File : New Model】菜單項(xiàng)。</p><p>　　所打開的空白模型窗口如圖所示。</p><p>　　3) 建立Simulink仿真模型</p><p>　　打開Simulink模型窗口(Untitled)選取模塊或模塊組，</p><p&g

25、t;　　在Simulink模型或模塊庫(kù)窗口內(nèi)，用鼠標(biāo)左鍵單擊所需模塊圖標(biāo)，圖標(biāo)四角出現(xiàn)黑色小方點(diǎn)，表明該模塊已經(jīng)選中。</p><p>　　添加模塊：右鍵ADD添加到模型窗口。</p><p><b>　　模塊拷貝及刪除</b></p><p>　　在模塊庫(kù)中選中模塊后，按住鼠標(biāo)左鍵不放并移動(dòng)鼠標(biāo)至目標(biāo)模型窗口指定位置，釋放鼠標(biāo)即完成模塊拷貝。

26、</p><p>　　模塊的刪除只需選定刪除的模塊，按Del鍵即可。</p><p><b>　　模塊調(diào)整</b></p><p>　　改變模塊位置、大??；</p><p><b>　　改變模塊方向</b></p><p>　　使模塊輸入輸出端口的方向改變。選中模塊后，選取菜

27、單Format→RotateBlock，可使模塊旋轉(zhuǎn)900。 </p><p><b>　　模塊參數(shù)設(shè)置</b></p><p>　　用鼠標(biāo)雙擊指定模塊圖標(biāo)，打開模塊對(duì)話框，根據(jù)對(duì)話框欄目中提供的信息進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或修改。</p><p>　　例如雙擊模型窗口的傳遞函數(shù)模塊，彈出圖示對(duì)話框，在對(duì)話框中分別輸入分子、分母多項(xiàng)式的系數(shù)，點(diǎn)擊OK鍵，完

28、成該模型的設(shè)置，如右下圖所示：</p><p>　　模塊文件的取名和保存</p><p>　　選擇模型窗口菜單FileSave as后彈出一個(gè)“Save as”對(duì)話框，填入模型文件名，按保存(s)即可。</p><p>　　按照要求建模完成后的結(jié)構(gòu)圖:</p><p><b>　　4、參數(shù)整定過(guò)程</b></p&g

29、t;<p>　　利用穩(wěn)定邊界法（臨界比例法）整定PI參數(shù)</p><p>　　在MATLAB的Command Window輸入：Kp=1;Ki=0;</p><p>　　然后回到Simulink界面，就可以開始仿真了。初始參數(shù)的意義即相當(dāng)于沒(méi)有PI調(diào)節(jié)器的校正前系統(tǒng)。點(diǎn)擊Start開始仿真。</p><p>　　給定的階躍輸入信號(hào)需要系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)達(dá)到1&

30、lt;/p><p>　　Kp=1(穩(wěn)定時(shí)未達(dá)到1,Kp不夠,放大2倍)</p><p><b>　　Kp=2時(shí)仿真:</b></p><p>　　Kp=2(穩(wěn)定未達(dá)到1，Kp繼續(xù)放大2倍)</p><p><b>　　Kp=4時(shí)仿真：</b></p><p>　　系統(tǒng)發(fā)散不穩(wěn)定

31、,所以Kp減少</p><p><b>　　Kp=3時(shí)仿真：</b></p><p>　　系統(tǒng)趨于臨界震蕩狀態(tài)，Kp增大</p><p>　　Kp=3.5時(shí)仿真：</p><p>　　系統(tǒng)更加接近臨界震蕩狀態(tài)，Kp微增</p><p>　　Kp=3.6時(shí)仿真:</p><p&g

32、t;　　Kp=3.6時(shí)系統(tǒng)基本處于臨界狀態(tài)，此時(shí)臨界震蕩周期T約為0.1s.</p><p><b>　　根據(jù)穩(wěn)定邊界法表</b></p><p>　　可知整定后：Kp=0.455Kp, Ki=0.535Kp/T</p><p>　　得Kp=1.638 Ki=19.26</p><p><b>　　仿真如

33、下：</b></p><p>　　此時(shí)超調(diào)量δ%＝50%左右，調(diào)節(jié)時(shí)間1s左右，快速性足夠，可超調(diào)量較大，根據(jù)PID各部分對(duì)系統(tǒng)的影響,我們適當(dāng)減少Ki即增大積分時(shí)間常數(shù)，減弱積分作用，可以有效減少超調(diào)，令Ki=10，再次仿真</p><p>　　此時(shí)超調(diào)量δ%＝30%左右，且波形基本呈4:1衰減，比修正前有較好的改善，此時(shí)系統(tǒng)性能指標(biāo)基本能滿足需要。</p>&

34、lt;p>　　5、調(diào)試分析過(guò)程及仿真結(jié)果描述</p><p>　　調(diào)試過(guò)程中遇到了很多問(wèn)題，如simulink使用的一些細(xì)節(jié)上，步長(zhǎng)設(shè)置不合理會(huì)造成圖像比例不好等，通過(guò)修改步長(zhǎng)可以改善圖像質(zhì)量，又比如模塊參數(shù)設(shè)置等的問(wèn)題，模塊轉(zhuǎn)換方向、示波器參數(shù)調(diào)節(jié)、階躍信號(hào)參數(shù)設(shè)置、命令端未給變量賦值導(dǎo)致不能仿真等，最后通過(guò)查找資料以及向同學(xué)詢問(wèn)等改正錯(cuò)誤。又比如在調(diào)試整定參數(shù)初期對(duì)PID了解不夠，調(diào)試過(guò)程不夠規(guī)規(guī)范，導(dǎo)

35、致多次調(diào)試仍然未能達(dá)到臨界震蕩狀態(tài)等，最后按較為規(guī)范的方法調(diào)試后整定出較好的參數(shù)。</p><p>　　還有一個(gè)問(wèn)題就是本系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)滯后大，造成系統(tǒng)穩(wěn)定前震蕩較多,通過(guò)調(diào)節(jié)Ki，適當(dāng)減小Ki值，可以減小震蕩，減小超調(diào),使系統(tǒng)性能得到改善,又從書上及互聯(lián)網(wǎng)上了解到若采用PID調(diào)節(jié)即加入微分環(huán)節(jié)，適當(dāng)調(diào)節(jié)Kd,可以使系統(tǒng)震蕩減弱。</p><p><b>　　四、總結(jié)</b&

36、gt;</p><p>　　通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我從中學(xué)到了如何利用simulink建立模型來(lái)仿真一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，這次我們就是利用simulink建模的方法來(lái)仿真單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),從中我學(xué)到了如何初始化simulink，如何調(diào)用設(shè)置模塊，如何連接系統(tǒng)框圖，怎樣查看示波器等，還學(xué)到了穩(wěn)定邊界法這種科學(xué)有效的PID參數(shù)整定方法。</p><p>　　學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)的過(guò)程雖然辛苦卻也快樂(lè)，特別是和一群

37、志同道合的朋友同學(xué)們一起努力，相互切磋探討，去充分挖掘解決問(wèn)題之道以及發(fā)掘知識(shí)的魅力，我相信科學(xué)的探索是永無(wú)止境的，也正是由于這種求知的渴望才讓人類越發(fā)強(qiáng)大和充滿智慧,這次課程設(shè)計(jì)也很好的鍛煉了我對(duì)知識(shí)的實(shí)踐應(yīng)用能力，也讓我充分認(rèn)識(shí)到了應(yīng)用前的知識(shí)都是停留在書本上的死知識(shí)，只有將其用于實(shí)踐才能充分認(rèn)識(shí)到其價(jià)值所在，才能將知識(shí)用活用好。</p><p><b>　　五、參考文獻(xiàn)</b><

38、/p><p>　　[1] 郭陽(yáng)寬等.過(guò)程控制工程及仿真——基于MATLAB/Simulink.電子工業(yè)出版社，2009</p><p>　　[2] 阮毅，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　[3] 李國(guó)勇等.計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與CAD. 北京：電子工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[4] 王正林