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1、基于MATLAB的直线电机PID控制器设计摘要随着现代工业的飞快发展，控制对象日益复杂，对其的性能控制要求也不断提高，致使人们寻找更好的控制方法，其中以改进PID控制最为典型。PID控制器具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，是目前最稳定的控制方法之一。它所涉及的参数物理意义明确，理论分析体系完整，并为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。直线电机是近年来国外积极研究发展的新型电机之一，凭借自身的特性在以直线运动的工业控制中，有比旋转电机巨大的优越性。可广泛应用于交通运输、起重搬运、物流传输装置、国防及煤矿运输、车床进给等方面，发展前景十分广阔。传统的比例积分微分(
2、PID) 控制器参数往往因整定不良、性能欠佳,对运行状况的适应性很差。简单的控制又不能很好地适应对象系统特性变化时的最佳控制要求。因此，鉴于控制方法目前仍有广泛应用，对参数整定方法的研究将具有很好的应用价值。本文根据稳定边界法则及Ziegler-Nichol算法,以直线电机控制模型为例介绍如何在MATLAB 工具帮助下整定并验证PID 控制器参数，使参数的整定变得简单、易行，使整定效果更优化。关键词: 直线电机 PID控制 MATLAB 控制系统 参数整定 系统仿真Abstract: With the fast development of modern industry, more comp
3、licated control object, its performance control requirements improve continuously, cause people looking for better control method, which to improve PID control is the most typical example. The PID (Proportional-Integral-Derivative) control is one of the most common control methods at present. Its st
4、ructure is simple and easy to implement, however, the control effect is perfect and it has a strong robust characteristics. The physical parameters is, meaning of ,theoretical analysis of system is integrity, and it is familiar by the engineering sector, which in the industrial process control has b
5、een widely used.Linear motor is one of the studied new motor. Because of its peculiarity, the linear motor performed better than rotary motor in the control systems when the moving route is linear. Its application range extends widely and widely. And it has been applied in many fields. However, the
6、traditional parameter adaptability of proportion-integral-differential (PID) controller to the operating situation is very bad sometimes because the reduction and performance isnt good. Simple control and cant well adapt to changes in the system characteristics of the object of optimal control requi
7、rements. Therefore, in view of the control method is currently there are still widely used, to the study of the method of parameter setting will have a good application value. According to the stable boundary principle and Ziegler-Nichol algorithm, this paper introduces how to reduce and validate th
8、e PID controller parameter with the help of MATLAB tool taking the linear motor control model as an example. Making the parameters set becomes simple, easy to operate, and make the setting effect more optimization.Key words： Linear motor, PID control, Matlab, Control system, Parameters setting, Syst
9、em simulation目录基于MATLAB的直线电机PID控制器设计I摘要I关键词:IAbstract:IIKey words:II第一章 引言1第二章 直线直流电机控制系统31、直线电机进给系统的研究现状32、直流直线电机的工作原理43、直流直线电机数学模型64、控制方案8第三章 PID控制器及MATLAB简介91、PID控制简介91）P控制92）PI控制93）PD控制104）PID控制102、MATLAB简介12第四章 控制系统及PID参数整定方法151、 控制系统构成152、 PID参数整定的几种方法概述152.1.PID参数整定方法152.2.PID调整方式16第五章 直线电机PI
10、D控制器的设计211.Ziegler-Nichols整定方法212. 稳定边界法则223.PID参数的整定224.PID参数的改进27第六章 结论与展望36第一章 引言随着科学技术的发展和经济水平的提高，人们也逐渐开始追求个性化、自动化的生活，致使控制对象日益复杂，对控制的精度性和可靠性的要求却越来越高。已经成熟的传统控制理论(包括经典控制理论和现代控制理论)和技术在实际应用中受到了某种程度的严峻挑战。尤其是在学习控制研究和机器人控制方面，矛盾日渐突出，迫切需要为自动控制学科注入新的活力。智能控制就是在此时应运而生的。智能控制的产生是控制领域的一次飞跃，是自动控制发展的高级阶段 ,是控制论、系
11、统论、信息论和人工智能等多种学科交叉和综合的产物 ,为解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制提供了有效的理论和方法。尤其是近年来以智能控制理论的新成果与传统控制理论的成功结合为基础的智能控制系统的研究己成为控制界关注的热点在工业过程控制中，目前采用最多的控制方式依然是PID方式。它具有容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，同时它原理简单，参数物理意义明确，理论分析体系完整，并为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。PID 控制也是最早发展起来的控制策略之一,被广泛应用于过程控制和运动控制中。但在实际系统设计过程中,设计师经常受到参数整定方法繁杂困扰,PID控制器参数往往因整定不
12、良、性能欠佳,对运行工况的适应性很差。而计算机技术和控制理论的发展为PID 控制器参数的整定提供了新的途径。MATLAB是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，构成了一个灵活、综合、具有丰富特性的控制系统设计环境。借助于MA TLAB 设计环境可以直观、方便地对系统
13、进行分析、计算,轻松解决PID 参数整定设计工作。直线电机主要是直线电动机，它是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。直线电机的结构可以根据需要制成扁平型、圆筒型或盘型等各种型式，它可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。直线电机可以在几秒钟把一架几千公斤重的直升机拉到每小时几百公里的速度，它在真空中运行时，其时速可达几千甚至上万公里的速度。直线直流电机是直线电机应用广泛的一个重要分支。它被广泛应用于航天、工业检测、自动化控制、信息系统、民用及其他各个技术领域。在这些领域中，它可以用作电子计算机外围设备、自动化仪器仪表、精密直线位移的机械手及机
14、器人中用作增量运动的执行元件，尤其是近年来在机床进给系统中的应用，更加引起人们的关注。直线直流电机有着明显的优点，其运行效率高，没有功率因数低的问题;控制比较方便、灵活。直线直流电动机和闭环控制系统结合在一起，可精密地控制位移，其速度和加速度控制围广，调速的平滑性好。由直线电机驱动的进给系统，其主要性能包括速度、加速度、推力、定位精度、重复定位精度、机械特性(速度-推力特性)、动态性能和热性能等。为了提高直线进给的性能，目前对直线电机进给系统的研究主要在电机的结构和控制两方面。其中，控制技术的研究主要在于研究用不同的控制策略来设计控制器，及采用高性能的硬件等。直线电机在我国的研究与应用起步较晚
15、，水平落后于国外很多。目前国对直线电机进给系统采用的控制策略主要有传统的PID控制、解耦控制;现代控制方法中的非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、H控制、模糊控制及人工智能控制等。本文将稳定边界法与传统PID控制、ZieglerNichol算法相结合，设计出新型直线电机的PID控制器，以现对PID的参数最佳调整，并作为直线电机进给伺服系统的控制方案。在完成控制器的设计后，对新控制器的控制性能进行仿真分析，以验证新型PID控制器在直线进给系统控制中的可行性。采用MATLAB仿真的研究方法，将设计出的新型PID控制器应用于直线电机进给系统中，为机床的控制策略在理论和应用上做创新性的探索研究。第二章 直线直流电机控制系统1、直线电机进给系统的研究现状直线电机的概念早在1838年法拉第发现电磁感应定律后，几乎是和旋转电机的概念同时提出的。1840年惠斯登(Wheatstone)开始试制直线电机，但没有获得成功。此后由于制造技术、工程材料以及控制技术的限制，直线电机的研究与应用一直处于停滞状态。1945年，美国西屋电气公司研制成功电力牵引的飞机弹射器，它以7400Kw的直线电机为动力，在4.15成功地将一架重为4535Kg的喷气式飞机在165m的行程由静止加速到 188Km小。它的试制成功，使直线电动机的可靠性
