仿真課程設計--pi控制單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真設計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、摘要- 2 -</p><p>　　二、課程設計任務- 3 -</p><p>　　三、課程設計內(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)整定過程- 12 -</p><p>　　5、調試分析過程及仿真結果描述- 16 -</p><p>　　四、總結- 17 -</p><p>　　五、參考文獻

3、- 17 -</p><p>　　PI控制單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真設計</p><p>　　班級：自動化 學號： 姓名： </p><p><b>　　一、摘要</b></p><p>　　本文通過利用Matlab仿真平臺設計單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，，包括單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的基本構成和工作原理、對所設計系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標和動

4、態(tài)性能指標進行分析、根據(jù)動態(tài)性能指標設計調節(jié)器、根據(jù)設計任務書的具體要求設計出系統(tǒng)的Simulink仿真模型，驗證所設計系統(tǒng)的性能，通過穩(wěn)定邊界法（臨界比例度法）整定PID參數(shù)，從而達到較好的控制性能要求，在這種實踐的學習和調試中，使學生更系統(tǒng)地掌握所學知識并能夠應用運動控制系統(tǒng)設計規(guī)范、Matla-simulin建模方法步驟、計算手冊和計算機輔助設計軟件進行運動控制系統(tǒng)的結構設計和參數(shù)計算。</p><p>　

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

6、此理論去設計一個實際的調速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真進行正確性的驗證。</p><p><b>　　二、課程設計任務</b></p><p>　　已知單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)如圖所示</p><p>　　（1）請采用試湊法或穩(wěn)定邊界法整定兩個PI控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下快速性好，并對整個系統(tǒng)進行仿真。</p><p>

7、　?。?）請采用試湊法或穩(wěn)定邊界法整定兩個PI控制器的參數(shù)，使系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下超調量小，并對整個系統(tǒng)進行仿真。</p><p><b>　　三、課程設計內(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：在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又

8、稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象,或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有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、微分計算出控制量進行控制的。</p><p><b>　　比例（P）控制</b></p><p>　　比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即就發(fā)生作用即調節(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。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的積分成正比關系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差

11、的或簡稱有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。實質就是對偏差累積進行控制，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，而且</p

12、><p>　　還與偏差持續(xù)的時間有關。簡單來說就是把偏差積累起來，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的微分（即誤差的變化率）成正比關系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(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，抑制誤差的作用就應該是零。</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)設計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。

14、這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。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）、反應曲線法和衰減法。</p><p>　　三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗</p><p>　　公式對控制器參數(shù)進行

15、整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。</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>　　曲線偏離回復慢，積分時間往下降</p><p>　　曲線波動周期長，積分時間再加長</p><p>　　曲線振蕩頻率快，先把微分降下來</p><p>　　動差大來波動慢。微分時間應加長</p><p>　　理想曲線兩個波，前高后低4比1</p><p>　　

17、一看二調多分析，調節(jié)質量不會低</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設為0，KP置較小值，使系統(tǒng)投入穩(wěn)

18、定運行。 </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，即臨界振蕩過程。記錄此時的KP和臨界振蕩的振蕩周期T。 </p><p>　　3）按照下表的經(jīng)驗公式以及對應的調節(jié)器類型整定相應的PID參數(shù)，然后再進行仿真校驗和微調。 </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>　　設置PID參數(shù)名稱其仿真環(huán)境參數(shù)</p><p>　　分別雙擊三個Gain元件，并在彈出的對話框中填入相應的變量名，比如Kp,Ki。</p><p>　　在仿真環(huán)境設置中將“Stop Time”設為1.0， “Relative tolerance”設為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)的意義即相當于沒有PID調節(jié)器的校正前系統(tǒng)。點擊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”一詞表示可用于計算機仿真，而“Link”一詞表示它能進行系統(tǒng)連接，即把一系列模塊連接起來，構成復雜的系統(tǒng)模型。作為MATLAB的一個重要組成部分，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Simulink。</p><p>　　單擊MATLAB Command窗口工具條上的Simulink圖標，或者在MATLAB命令窗口輸入simulink，即彈出圖示的模塊庫窗口界面(Simulink Library Browser)。該界面右邊的窗口給出Simulink所有的子模塊庫。</p><p>　　2) 打開空白模型窗口</p><p>　　模型窗

23、口用來建立系統(tǒng)的仿真模型。只有先創(chuàng)建一個空白的模型窗口，才能將模塊庫的相應模塊復制到該窗口，通過必要的連接，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空白模型窗口：</p><p>　　在MATLAB主界面中選擇【File:NewModel】菜單項；</p><p>　　單擊模塊庫瀏覽器

24、的新建圖標 ；</p><p>　　選中模塊庫瀏覽器的【File : New Model】菜單項。</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模型或模塊庫窗口內(nèi)，用鼠標左鍵單擊所需模塊圖標，圖標四角出現(xiàn)黑色小方點，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>　　在模塊庫中選中模塊后，按住鼠標左鍵不放并移動鼠標至目標模型窗口指定位置，釋放鼠標即完成模塊拷貝。

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900。 </p><p><b>　　模塊參數(shù)設置</b></p><p>　　用鼠標雙擊指定模塊圖標，打開模塊對話框，根據(jù)對話框欄目中提供的信息進行參數(shù)設置或修改。</p><p>　　例如雙擊模型窗口的傳遞函數(shù)模塊，彈出圖示對話框，在對話框中分別輸入分子、分母多項式的系數(shù)，點擊OK鍵，完

28、成該模型的設置，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“Save as”對話框，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構圖:</p><p><b>　　4、參數(shù)整定過程</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)的意義即相當于沒有PI調節(jié)器的校正前系統(tǒng)。點擊Start開始仿真。</p><p>　　給定的階躍輸入信號需要系統(tǒng)穩(wěn)定時達到1&

30、lt;/p><p>　　Kp=1(穩(wěn)定時未達到1,Kp不夠,放大2倍)</p><p><b>　　Kp=2時仿真:</b></p><p>　　Kp=2(穩(wěn)定未達到1，Kp繼續(xù)放大2倍)</p><p><b>　　Kp=4時仿真：</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時仿真:</p><p&g

32、t;　　Kp=3.6時系統(tǒng)基本處于臨界狀態(tài)，此時臨界震蕩周期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>　　此時超調量δ%＝50%左右，調節(jié)時間1s左右，快速性足夠，可超調量較大，根據(jù)PID各部分對系統(tǒng)的影響,我們適當減少Ki即增大積分時間常數(shù)，減弱積分作用，可以有效減少超調，令Ki=10，再次仿真</p><p>　　此時超調量δ%＝30%左右，且波形基本呈4:1衰減，比修正前有較好的改善，此時系統(tǒng)性能指標基本能滿足需要。</p>&

34、lt;p>　　5、調試分析過程及仿真結果描述</p><p>　　調試過程中遇到了很多問題，如simulink使用的一些細節(jié)上，步長設置不合理會造成圖像比例不好等，通過修改步長可以改善圖像質量，又比如模塊參數(shù)設置等的問題，模塊轉換方向、示波器參數(shù)調節(jié)、階躍信號參數(shù)設置、命令端未給變量賦值導致不能仿真等，最后通過查找資料以及向同學詢問等改正錯誤。又比如在調試整定參數(shù)初期對PID了解不夠，調試過程不夠規(guī)規(guī)范，導

35、致多次調試仍然未能達到臨界震蕩狀態(tài)等，最后按較為規(guī)范的方法調試后整定出較好的參數(shù)。</p><p>　　還有一個問題就是本系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)滯后大，造成系統(tǒng)穩(wěn)定前震蕩較多,通過調節(jié)Ki，適當減小Ki值，可以減小震蕩，減小超調,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調節(jié)即加入微分環(huán)節(jié)，適當調節(jié)Kd,可以使系統(tǒng)震蕩減弱。</p><p><b>　　四、總結</b&

36、gt;</p><p>　　通過這次課程設計，我從中學到了如何利用simulink建立模型來仿真一個實際系統(tǒng)，這次我們就是利用simulink建模的方法來仿真單閉環(huán)直流調速系統(tǒng),從中我學到了如何初始化simulink，如何調用設置模塊，如何連接系統(tǒng)框圖，怎樣查看示波器等，還學到了穩(wěn)定邊界法這種科學有效的PID參數(shù)整定方法。</p><p>　　學習和設計的過程雖然辛苦卻也快樂，特別是和一群

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

38、/p><p>　　[1] 郭陽寬等.過程控制工程及仿真——基于MATLAB/Simulink.電子工業(yè)出版社，2009</p><p>　　[2] 阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng). 北京：機械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　[3] 李國勇等.計算機仿真技術與CAD. 北京：電子工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[4] 王正林