控制系统仿真大作业.pdf

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1、河南工业大学控制系统仿真控制系统仿真姓名：班级：学号：成绩：2016 年 06 月 15 日设计题目设计内容和要求基于串级 PID 控制技术的堆垛机控制器的设计运用串级控制原理和积分分离的 PID 算法，建立堆垛机串级 PID 变频调速控制系统，实现堆垛机的快速精确定位控制，用 MATLAB 仿真技术和 Simulink 建立了堆垛机控制系统的仿真模型，并对其仿真结果进行分析。报告主要章节第一章 概述与引言近些年来，随着科学技术的不断进步，物流行业在全世界蓬勃发展，自动化立体仓库的应用领域和范围得到了极大的扩展，自动化立体仓库的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断的提高。自动化立体仓库堆垛

2、机的速度控制控制技术是提高仓库作业效率的关键技术，一直是当前工程优化领域研究的重点。例如，在堆垛机自动控制方面还采用了激光测距定位系统、闭环变频调速系统，Profibus 总线控制等先进技术。在这些控制方案中，均以输出速度为理想值，而没有考虑速度在外部和内部因素的影响下将出现扰动现象。如果输出速度在扰动的作用下偏离理想值，得不到及时的校正，将产生堆垛机的蠕动和抖动现象，降低系统定位精度和定位效率，甚至造成定位错误等故障。堆垛机的运行高效率是与自动化立体仓库的作业调度密切相关的，所谓串级控制是在单回路 PID 控制的基础上发展起来的一种控制技术。串级控制针对上述情况，在原控制回路中，增加一个或几

3、个控制副回路，用以控制可能引起被控量变化的其他因素，从而有效地控制了被控对象的时滞特性，提高了系统动态响应的快速性。第二章 各部分设计方案及工作原理一 自动堆垛机控制器的系统图自动化立体仓库每个货物存放单元都对应精确的数据地址，从提高堆垛机作业系统的工作效率和可靠性的角度出发，利用串级控制原理和积分分离的 PID 算法，因此要求堆垛机每次存取货物必须快速运行而且停车要求平稳精准。为此，设计了如下图所示的基于PID 的变频调速控制系统，来实现堆垛机的快速精准定位控制。二 工作原理堆垛机控制系统的硬件包括可编程控制器(PLC)、认址片和读址器、旋转编码器、变频器、D/A 模块、高速可逆计数器模块、

4、运行机构等组成。其组成框图如下图所示。位置检测旋转编码器PLC控 制 器变频器速度检测电机运行机构读址器 PLC 得到目标位置坐标后，与自身现处位置坐标进行比较，利用位置 PID 算法，得出位置输出，然后利用速度 PID 算法控制速度输出。速度输出通过 D/A 模块连接到变频器，变频器调节交流电动机的转速，轴脉冲编码器安装在交流电动机轴上，编码器的输出脉冲接入 PLC 的高速可逆计数器模块。电动机的旋转通过传动机构转化为堆垛机的运动，高速计数器记录了电动机轴的脉冲数（电机旋转角度），一定时间内的脉冲数又反映了堆垛机的运行速度，实现速度信息的反馈。同时，运行机构上装有的认址器可以检测堆垛机是否运

5、行到位，实现位置信息的反馈。图 3 堆垛机控制系统原理图三 堆垛机串级控制系统模型的建立堆垛机控制系统，其控制目的是使堆垛机快速准确定位，以提高仓库效率。假如堆垛机的运行速度是恒定的，堆垛机的位置坐标值就对应着一定的时间，这时为了实现堆垛机的准确定位，在堆垛机运行过程中只需测量它的实际坐标位置，并与位置目标设定值进行比较；利用二者的偏差以 PID 控制规律控制堆垛机进行定位即可。实际上，如果运行速度设置较大，满足了运行快速性，但在定位时由于惯性的影响产生抖动现象，造成定位控制滞后；如果运行速度设置较小，虽然避免了抖动现象，但不能满足运行快速性。为了满足堆垛机的快速准确定位，需要进行变速运行。但

6、又为了避免系统外界和内部因素对输出速度的扰动作用。因此，在堆垛机位置控制主回路中增加了速度控制副回路，构成串级 PID 控制结构，如图 1 所示。r1+一一e1D1(S)u1e2D2(S)u2副对象y2主对象y1图 1：堆垛机位置速度的串级控制结构D2(S)串级计算机控制系统的典型结构，系统中有两个 PID 控制器，称为调节器传递函数，包围D2(S)的内环称为副回路。D1(S)称为主调节器传递函数，包围D1(S)的外环称为主回路。主调节器的输出控制量u1 作为副回路的给定量u1。图中主控制器D1(S)和副控制器D2(S)分别表示位置调节器和速度调节器的传递函数。串级控制系统的计算顺序是先主回路

7、D1(S)，后副回路D2(S)。四 控制系统的算法及各部分的传递函数根据图 1，用 PLC 实现D1(S)和D2(S)时，PLC 串级控制系统如图 2所示，图中的D1(S)和D2(S)是由 PLC 实现的 PID 数字控制器，H（S）是零阶保持器，T 为采样周期。r1(t)T+一一e1(k)D1(Z)u1(k)T+一一e2(k)D2(Z)TH（S）副对象y2(t)主对象y1(t)TT图2：PLC 串级控制系统考虑到堆垛机实际的工作情况，采用积分分离的 PID 算法，即在被控制量开始跟踪时，取消积分作用，以避免因严重的积分饱和现象而造成的很大的超调和长时间的振荡；而当被控制量接近给定值时，才利用

8、积分作用，以消除静差，提高控制精度。其计算顺序为：计算主回路的偏差e1(k)；e1(k)r1(k)y1(k)计算主回路控制器D1(z)的输出u1(k)；u1(k)u1(k 1)u1(k)根据增量式得：当e1(k)时：u1 KP1e1(k)e1(k 1)KD1e1(k)2e1(k 1)e1(k 2)当e1(k)时：u1(k)Kp1e1(k)e1(k1)KI1e1(k)KD1e1(k)2e1(k1)e1(k2)KKI1KP1TTI1为位置积分系数；KD1KP1TD1T式中：p1为位置比例增益；为位置微分系数。计算副回路的偏差e2(k)；e2(k)r2(k)y2(k)计算副回路控制器D2(z)的输出

9、v2(k)；v2(k)v2(k 1)v2(k)根据速度式得：当e2(k)时：v2KP2Ke2(k)e2(k 1)D2e2(k)2e2(k 1)e2(k 2)TT时：当e2(k)v2(k)Kp2Te2(k)e2(k1)KI2e2(k)KD2e2(k)2e2(k1)e2(k2)TTKp2T式中：为速度比例增益；KI 2 KP2TI 2T为速度积分系数；KD2 KP2TD2T2T为速度微分系数。五五 整定整定 T 和和KP、TI、TD（1）选择一个足够短的采样周期Tmin；其值要小于对象纯滞后时间的0.1 倍。（2）用上述的Tmin，采样模拟调节器的临界比例度法，求出临界比例度K及临界振荡周期TK。

10、具体做法是仅让 DDC 作纯比例控制，逐渐缩小比例度，最终得到一个等幅振荡，此时的比例度即为K，振荡周期即为TK。（3）查表 1，求得 T 和KP、TI、TD的值。（4）按求得的参数整定运行，在运行中观察控制效果，用探索法进一步寻求比较满意的值。表 1：按扩充临界比例度法整定 T 和KP、TI、TD的经验数值表控制度Ziegler-Nichols整定式控制规律PIPIDTKP0.45K0.60KTITD0.125TK0.83TK0.50TK根轨迹曲线：Root Locus0.060.04ImaginaryAxis(seconds-1)0.02System:gGain:1.74e-08Pole:

11、-0.1-0.000186iDamping:1Overshoot(%):0Frequency(rad/s):0.10-0.02-0.04-0.06-0.12-0.1-0.08-0.06-0.04-0.0200.02Real Axis(seconds-1)六 控制系统的流程图及响应曲线控制系统流程图：串级控制的阶跃响应：传统 PID 控制的阶跃响应：第三章 结论与展望在这次设计中，我通过对堆垛机控制器进行串级 PID 控制技术的设计，了解了自动化立体仓库及堆垛机的工作原理，我结合串级控制技术和 PID 控制技术，解决了由于速度扰动的影响而产生的堆垛机抖动和定位错误等问题，提高了使堆垛机的定位精度和系统运行的稳定性、可靠性。相信这次的设计将对我的以后的相关设计大有益处。附：参考文献：【1】胡寿松.自动控制原理简明教程.北京：科学出版社，2008【2】王燕平.控制系统仿真与 CAD.北京：机械工程出版社，2011【3】刘金琨.先进 PID 控制 MATLAB 仿真.北京：電子工業出版社,2011【4】郑恩让、聂诗亮.控制系统仿真.北京：中国林业出版社；北京大学出版社，2006【5】刘昌祺、董亮.自动化立体仓库设计.北京：机械工业出版社，2004