基于MATLAB的PID控制器的应用.docx

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基于MATLAB的PID控制器的应用

成绩

课程设计报告

题目PID控制器的应用

课程名称控制系统仿真

院部名称机电工程学院

专业自动化

班级09自动化

学生姓名

学号

课程设计地点C208

课程设计学时1周

指导教师

金陵科技学院教务处制

1．课程设计目的

应用所学的自动控制基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行控制系统的初步设计。

应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。

2．课程设计题目及要求

（1）．单回路控制系统的设计及仿真。

（2）．串级控制系统的设计及仿真。

（3）．反馈前馈控制系统的设计及仿真。

（4）．采用Smith补偿器克服纯滞后的控制系统的设计及仿真。

3．课程设计内容与步骤

（1）．单回路控制系统的设计及仿真。

（a）已知被控对象传函W（s）=1/（s2+20s+1）。

（b）用MatLab的Simulink画出该系统。

（c）选PID调节器的参数使系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线。

注明所用PID调节器公式。

PID调节器公式Wc（s）=50（5s+1）/（3s+1）给定值为单位阶跃响应幅值为3

（d）修改调节器的参数，观察系统的稳定性或单位阶约响应曲线，理解控制器参数对系统的稳定性及控制性能的影响？

有积分作用单回路控制系统见图1：

图1有积分作用单回路控制

图2无积分作用单回路控制系统：

图3大比例作用控制系统：

增大比例系数一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。

增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。

增大微分时间有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。

（2）．串级控制系统的设计及仿真。

（a）已知主被控对象传函W01（s）=1/（100s+1），副被控对象传函W02（s）=1/（10s+1），副环干扰通道传函Wd（s）=1/（s2+20s+1）。

（b）用MatLab的Simulink画出上述两系统。

（c）选PID调节器的参数使串级控制系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线。

PID调节器传函：

主：

Wc（s）=100（40+1）/（s+1）副：

Wc（s）=100（20s+1）

（d）比较单回路控制系统及串级控制系统在相同的副扰动下的单位阶约响应曲线，并说明原因？

串级控制系统：

图4：

串级控制系统

单回路控制系统：

图5单回路控制系统

串级控制系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，具有较强的抗扰动能力，具有一定的自适应能力，能够准确及时地对系统的一次扰动和二次扰动进行校正。

（3）．反馈前馈控制系统的设计及仿真。

（a）已知被控对象传函W0（s）=1/（s2+s+1），干扰通道传函Wf（s）=1/（s2+2s+5），前馈随机干扰信号幅值=50，频率=10。

（b）用MatLab的Simulink画出上述两系统。

（c）选PID调节器的参数使系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线。

PID调节器传函：

Wc（s）=30（10s+1）/（5s+1）

设干扰源幅值为50，频率为10Hz

（d）比较单回路控制系统及反馈前馈控制系统在相同的单位阶约扰动下的响应曲线，并说明原因？

反馈前馈控制系统：

图6反馈前馈控制系统

单回路控制系统：

图7单回路控制系统

为了方便看出不同，对图进行处理后：

反馈前馈控制系统：

图8反馈前馈控制系统

单回路控制系统：

图9单回路控制系统

不加前馈时，系统受到干扰较严重，加上前馈之后，前馈先将干扰去掉，使得系统不受干扰的影响。

前馈反馈复合控制系统既能发挥前馈作用可及时克服主要扰动对被控量影响的有点，又保持了反馈控制能克服对个扰动的影响和可对被控量实行偏出检验的长处，同时也降低系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上更易于实现。

（4）．采用Smith补偿器克服纯滞后的控制系统的设计及仿真。

（a）已知被控对象传函

W0（s）=e-4s/（20s+1）。

（b）用MatLab的Simulink画出上述两系统。

（c）选PID调节器的参数使采用Smith补偿器的反馈控制系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线。

PID调节器传函：

Wc（s）=40/（2s+1）

（d）比较单回路控制系统及采用Smith补偿器的反馈控制系统在相同的单位阶跃扰动下的响应曲线，并说明原因？

带smith补偿器控制系统：

图10带smith补偿器控制系统

图11

单回路控制系统：

图12单回路控制系统

采用smith补偿后，可以完全消除滞后对系统的影响，而单回路控制系统不能消除滞后，是系统输出产生失真。

4、问题和解决方法

在画控制系统方框图时，因为对它不够了解很多控件在寻找的时候花了很多时间，甚至对控件的一些编辑操作也不是很清楚。

经过不断摸索和与同学交流才逐渐掌握了画图方法的一些基本操作。

在仿真过程中PID控制器参数的确定对我造成了很大的困扰，不知道选用的参数是否真确。

不过在与老师和同学的交流和学习中，了解到通过选择不同的参数能过看出不同的系统的性能的差别。

5、心得体会

通过本次的课程设计使我加深了对MATLAB在自动控制原理中的应用。

学会了如何画控制系统的原理框图以及在其基础上的模拟和仿真。

在学习MATLAB的过程中难免会遇到这样那样的问题，不要着急，可以去图书馆查阅相关书籍或者与老师同学进行交流，找到解决方法。

通过这样的学习方法更能加深我们的认识并能跟好的理解与掌握。

6.主要参考文献

1.陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用.北京：

电子工业出版社，2009

2.赵广元.MATLAB与控制系统仿真实践.北京：

北京航空航天大学出版社，2009