单闭环直流调速系统simulink仿真课程设计(共17页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 目 录PI控制单闭环直流调速系统仿真设计班级：自动化 学号： 姓名： 一、摘要本文通过利用Matlab仿真平台设计单闭环直流调速系统，包括单闭环直流调速系统的基本构成和工作原理、对所设计系统的静态性能指标和动态性能指标进行分析、根据动态性能指标设计调节器、根据设计任务书的具体要求设计出系统的Simulink仿真模型，验证所设计系统的性能，通过稳定边界法（临界比例度法）整定PID参数，从而达到较好的控制性能要求，在这种实践的学习和调试中，使学生更系统地掌握所学知识并能够应用运动控制系统设计规范、Matla-simulin建模方法步骤、计算手册和计算机辅助设计软件进行运

2、动控制系统的结构设计和参数计算。在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。二、课程设计任务已知单闭环直流调速系统如图所示（1）请采用试凑法或稳定边界法整定两个PI控制器的参数，使系

3、统稳定的前提下快速性好，并对整个系统进行仿真。（2）请采用试凑法或稳定边界法整定两个PI控制器的参数，使系统稳定的前提下超调量小，并对整个系统进行仿真。三、课程设计内容1、PID控制原理及PID参数整定概述PID控制原理：在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最

4、为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下，Kp减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。但单纯的比例控制存在稳态误差不能消除的缺点。这里

5、就需要积分控制。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。实质就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不仅与偏差大小有关，而且还与偏

6、差持续的时间有关。简单来说就是把偏差积累起来，一起算总帐。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。PID参数整定概述：PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算

7、整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有稳定边界法（临界比例法）、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。PID参数整定口诀：参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加曲线振荡很频繁，比例度盘

8、要放大曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳曲线偏离回复慢，积分时间往下降曲线波动周期长，积分时间再加长曲线振荡频率快，先把微分降下来动差大来波动慢。微分时间应加长理想曲线两个波，前高后低4比1一看二调多分析，调节质量不会低2、基于稳定边界法（临界比例法）的PID控制器参数整定算法使用稳定边界法整定PID参(Z-N Method)分为以下几步:1）将积分系数KI和微分系数KD设为0，KP置较小值，使系统投入稳定运行。 2）逐渐增大比例系数 KP，直到系统出现稳定等幅振荡，即临界振荡过程。记录此时的KP和临界振荡的振荡周期T。 3）按照下表的经验公式以及对应的调节器类型整定相应的PID参数，然后再进行仿

9、真校验和微调。 具体步骤： 1） 在Simulink下搭建系统框图如下2） 设置PID参数名称其仿真环境参数分别双击三个Gain元件，并在弹出的对话框中填入相应的变量名，比如Kp,Ki。在仿真环境设置中将“Stop Time”设为1.0， “Relative tolerance”设为1e-5。3）初始化参数并逐步整定PID参数在MATLAB的Command Window输入：Kp=1;Ki=0;然后回到Simulink界面，就可以开始仿真了。初始参数的意义即相当于没有PID调节器的校正前系统。点击Start开始仿真。3、利用Simulink建立仿真模型Simulink 中的“Simu”一词表示

10、可用于计算机仿真，而“Link”一词表示它能进行系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。作为MATLAB的一个重要组成部分，Simulink由于它所具有的上述的两大功能和特色，以及所提供的可视化仿真环境、快捷简便的操作方法，而使其成为目前最受欢迎的仿真软件。Simulink建模步骤1）启动Simulink。单击MATLAB Command窗口工具条上的Simulink图标，或者在MATLAB命令窗口输入simulink，即弹出图示的模块库窗口界面(Simulink Library Browser)。该界面右边的窗口给出Simulink所有的子模块库。2) 打开空白模型窗口模型窗口

11、用来建立系统的仿真模型。只有先创建一个空白的模型窗口，才能将模块库的相应模块复制到该窗口，通过必要的连接，建立起Simulink仿真模型。也将这种窗口称为Simulink仿真模型窗口。以下方法可用于打开一个空白模型窗口： 在MATLAB主界面中选择【File:NewModel】菜单项； 单击模块库浏览器的新建图标 ； 选中模块库浏览器的【File : New Model】菜单项。所打开的空白模型窗口如图所示。3) 建立Simulink仿真模型打开Simulink模型窗口(Untitled)选取模块或模块组，在Simulink模型或模块库窗口内，用鼠标左键单击所需模块图标，图标四角出现黑色小方点

12、，表明该模块已经选中。添加模块：右键ADD添加到模型窗口。模块拷贝及删除在模块库中选中模块后，按住鼠标左键不放并移动鼠标至目标模型窗口指定位置，释放鼠标即完成模块拷贝。模块的删除只需选定删除的模块，按Del键即可。模块调整改变模块位置、大小；改变模块方向使模块输入输出端口的方向改变。选中模块后，选取菜单FormatRotateBlock，可使模块旋转900。 模块参数设置用鼠标双击指定模块图标，打开模块对话框，根据对话框栏目中提供的信息进行参数设置或修改。例如双击模型窗口的传递函数模块，弹出图示对话框，在对话框中分别输入分子、分母多项式的系数，点击OK键，完成该模型的设置，如右下图所示：模块文

13、件的取名和保存选择模型窗口菜单FileSave as后弹出一个“Save as”对话框，填入模型文件名，按保存(s)即可。按照要求建模完成后的结构图:4、参数整定过程利用稳定边界法（临界比例法）整定PI参数在MATLAB的Command Window输入：Kp=1;Ki=0;然后回到Simulink界面，就可以开始仿真了。初始参数的意义即相当于没有PI调节器的校正前系统。点击Start开始仿真。给定的阶跃输入信号需要系统稳定时达到1Kp=1(稳定时未达到1,Kp不够,放大2倍)Kp=2时仿真:Kp=2(稳定未达到1，Kp继续放大2倍)Kp=4时仿真：系统发散不稳定,所以Kp减少Kp=3时仿真：

14、系统趋于临界震荡状态，Kp增大Kp=3.5时仿真：系统更加接近临界震荡状态，Kp微增Kp=3.6时仿真:Kp=3.6时系统基本处于临界状态，此时临界震荡周期T约为0.1s.根据稳定边界法表可知整定后：Kp=0.455Kp, Ki=0.535Kp/T得Kp=1.638 Ki=19.26仿真如下：此时超调量%50%左右，调节时间1s左右，快速性足够，可超调量较大，根据PID各部分对系统的影响,我们适当减少Ki即增大积分时间常数，减弱积分作用，可以有效减少超调，令Ki=10，再次仿真此时超调量%30%左右，且波形基本呈4:1衰减，比修正前有较好的改善，此时系统性能指标基本能满足需要。5、调试分析过程

15、及仿真结果描述调试过程中遇到了很多问题，如simulink使用的一些细节上，步长设置不合理会造成图像比例不好等，通过修改步长可以改善图像质量，又比如模块参数设置等的问题，模块转换方向、示波器参数调节、阶跃信号参数设置、命令端未给变量赋值导致不能仿真等，最后通过查找资料以及向同学询问等改正错误。又比如在调试整定参数初期对PID了解不够，调试过程不够规规范，导致多次调试仍然未能达到临界震荡状态等，最后按较为规范的方法调试后整定出较好的参数。还有一个问题就是本系统惯性环节滞后大，造成系统稳定前震荡较多,通过调节Ki，适当减小Ki值，可以减小震荡，减小超调,使系统性能得到改善,又从书上及互联网上了解到

16、若采用PID调节即加入微分环节，适当调节Kd,可以使系统震荡减弱。四、总结 通过这次课程设计，我从中学到了如何利用simulink建立模型来仿真一个实际系统，这次我们就是利用simulink建模的方法来仿真单闭环直流调速系统,从中我学到了如何初始化simulink，如何调用设置模块，如何连接系统框图，怎样查看示波器等，还学到了稳定边界法这种科学有效的PID参数整定方法。学习和设计的过程虽然辛苦却也快乐，特别是和一群志同道合的朋友同学们一起努力，相互切磋探讨，去充分挖掘解决问题之道以及发掘知识的魅力，我相信科学的探索是永无止境的，也正是由于这种求知的渴望才让人类越发强大和充满智慧,这次课程设计也很好的锻炼了我对知识的实践应用能力，也让我充分认识到了应用前的知识都是停留在书本上的死知识，只有将其用于实践才能充分认识到其价值所在，才能将知识用活用好。五、参考文献1 郭阳宽等.过程控制工程及仿真基于MATLAB/Simulink.电子工业出版社，20092 阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统. 北京：机械工业出版社，20093 李国勇等.计算机仿真技术与CAD. 北京：电子工业出版社，20084 王正林等.MATLAB/Simulink与控制系统仿真，电子工业出版社，20125 涂植英等.自动控制原理.重庆大学出版社,2005专心-专注-专业