毕业设计-基于matlab仿真的pid校正控制课程设计.doc

电控学院控制系统仿真课程设计 题 目： 基于Matlab仿真的PID校正控制 院 （系）： 电气与控制工程学院 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 目录一.控制对象分析 1.1设计任务 1.2控制要求与指标 1.2.1控制任务 1.2.2 控制指标二.控制对象的特性分析 2.1静态特性分析 2.2动态特性分析 2.3系统性能评价三.控制方案选择四.控制器设计 4.1设计原理 4.2参数设计五.控制系统仿真 5.1开环仿真图 5.2闭环仿真图 5.3仿真结果分析 5.3.1闭环静态分析 5.3.2闭环动态分析六.结论参考文献一.控制对象分析 1.1设计任务 假设某弹簧（阻尼系统）如图所示，M=1kg,f=10N·s/m,k=20N/m。通过设计PID校正装置，构成反馈装置，使其达到设计的技术指标。 1.2控制要求与指标 1.2.1控制任务系统的模型可描述如下： 1.2.2 控制指标 （1）系统的调节时间达到0.5s以内； （2）超调量达到10%以内； （3）无静态误差。二.控制对象的特性分析2.1静态特性分析>> s=tf('s');G=1/(s2+10*s+20)Transfer function: 1-s2 + 10 s + 20>> pzmap(G)零极点图由控制理论可知，系统的稳定性和系统的极点位置相关。系统的极点全部落在左半S平面，所以系统是稳定的，系统阶跃响应图>> step(G);2.2动态特性分析从阶跃响应图可以看出，系统调节时间过长，超调量较小。2.3系统性能评价从图上可以看出该系统不能满足系统设计所要求达到的性能指标，需要加上合适的控制器。三. 控制方案选择简单的说，PID调节器各校正环节的作用是：(l)比例环节及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。比例系数k的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。k越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，也就是对偏差的分辨率(重视程度)越高，但将产生超调，甚至导致系统不稳定。k取值过小，则会降低调节精度，尤其是使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。 (2)积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。积分作用系数越大，系统静态误差消除越大，但积分作用过大，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若积分作用系数过小，将使系统静差难以消除，影响系统的调节精度。(3)微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。四.控制器设计 4.1设计原理具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称PID控制器。这种组合具有三种基本规律各自的特点，其运动方程为： 相应的传递函数为：PID控制的结构图为：在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是PID控制，常规PID控制系统原理框图如图所示，系统由模拟PID调节器、执行机构及控制对象组成。 模拟PID控制系统原理框图4.2参数设计(1).加入P校正装置程序如下：>> s=tf('s');G=300/(s2+10*s+320)Transfer function: 300-s2 + 10 s + 320>> step(G);此时系统的静态误差为。所以为了减少静态误差，可以选择比例增益为Kp=300。这样误差就缩小到0.0625.加入P校正后，程序如下：从图中可以看出，系统的上升时间不超过0.2s，调节时间不超过0.7s,但是超调量比较大，达到了38%。（2）.加入PD校正装置选择PD校正，也就是在系统中加入一个比例放大器和一个微分放大器。这里选择Kp=300,Kd=10.编辑程序如下：>> s=tf('s');G=(10*s+300)/(s2+20*s+320)Transfer function: 10 s + 300-s2 + 20 s + 320>> step(G);加入PD校正后，超调量减小了，但仍呈衰减振荡，存在静态误差。(3).加入PID校正装置加入Kp,Ki,Kd,通过调试最终选取Kp=450,Ki=300,Kd=40。系统闭环传递函数如下：由图可以看出，系统的超调量达到了10%以内，实现了无静态误差，调节时间在0.5s以内。通过对比选择PID校正装置，最终选择Kp=450,Ki=300,Kd=40。五.校正后控制系统仿真 5.1闭环仿真图>> s=tf('s');G=(40*s2+450*s+300)/(s3+50*s2+470*s+300)Transfer function: 40 s2 + 450 s + 300-s3 + 50 s2 + 470 s + 300>> pzmap(G)>> step(G);5.2仿真结果分析5.2.1闭环静态分析5.2.2闭环动态分析由系统阶跃响应图可以看出，系统的超调量达到了10%以内，调节时间在0.5s以内。六. 结论通过对比选择PID校正装置，最终选择Kp=450,Ki=300,Kd=40,此时控制器能满足系统设计所要求达到的性能指标。系统实现了无静态误差，超调量达到了10%以内，调节时间在0.5s以内。参考文献1胡寿松.自动控制原理(第四版)M北京:科学出版社,20012刘金锟.先进PID控制MATLAB仿真(第2版) M.北京:电子工业出版社，20063郑阿奇.MATLAB实用教程M.北京:电子工业出版社, 20044李友善自动控制原理M北京：国防工业出版社,1987