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1、 1课课 程程 设设 计计题题 目目汽车运动控制系统仿真设计学学 院院计算机科学与信息工程学院班班 级级2010 级自动化 班小组成员小组成员姜木北：2010133*指导教师指导教师吴2013 年12 月13日2汽车运动控制系统仿真设计汽车运动控制系统仿真设计10 级自动化 2 班 姜鹏 2010133234目录目录摘要.2 一、课设目的.3 二、控制对象分析.3 2.1、控制设计对象结构示意图.3 2.2、机构特征.3 三、课设设计要求.3 四、控制器设计过程和控制方案.4 4.1、系统建模.4 4.2、系统的开环阶跃响应.4 4.3、PID 控制器的设计.5 4.3.1 比例（P）控制器的
2、设计.6 4.3.2 比例积分（PI）控制器设计.8 4.3.3 比例积分微分(PID)控制器设计 .9 五、Simulink 控制系统仿真设计及其 PID 参数整定.10 5.1 利用 Simulink 对于传递函数的系统仿真.10 5.1.1 输入为 600N 时，KP=600、KI=100、KD=100.11 5.1.2 输入为 600N 时，KP=700、KI=100、KD=100.11 5.2 PID 参数整定的设计过程.12 5.2.1 未加校正装置的系统阶跃响应：.12 5.2.2 PID 校正装置设计.13 六、收获和体会.13 参考文献.143摘要本课题以汽车运动控制系统的设
3、计为应用背景，利用 MATLAB 语言对其进行设计与仿真.首先对汽车的运动原理进行分析，建立控制系统模型，确定期望的静态指标稳态误差和动态指标搬调量和上升时间，最终应用 MATLAB 环境下的.m文件来实现汽车运动控制系统的设计。其中.m 文件用 step 函数语句来绘制阶跃响应曲线，根据曲线中指标的变化进行 P、PI、PID 校正；同时对其控制系统建立 Simulink 进行仿真且进行 PID 参数整定。仿真结果表明，参数 PID 控制能使系统达到满意的控制效果，对进一步应用研究具有参考价值，是汽车运动控制系统设计的优秀手段之一。关键词：关键词：运动控制系统 PID 仿真 稳态误差 最大超调
4、量 4汽车运动控制系统仿真设计汽车运动控制系统仿真设计一、课设目的针对具体的设计对象进行数学建模，然后运用经典控制理论知识 设计控制器，并应用 Matlab 进行仿真分析。通过本次课程设计，建立理论知识与实体对象之间的联系，加深和巩固所学的控制理论知识，增加工程实践能力。二、控制对象分析2.12.1、控制设计对象结构示意图、控制设计对象结构示意图muvv bv图 1. 汽车运动示意图2.22.2、机构特征、机构特征汽车运动控制系统如图 1 所示。忽略车轮的转动惯量，且假定汽车受到的摩擦阻力大小与运动速度成正比，方向与汽车运动方向相反。根据牛顿运动定律，该系统的模型表示为：（1） vyubvvm
5、6m=1200;b=60;num=1 ;den=m,b;disp(-:)printsys(num ,den);t=0:0.01:120;step(10*num ,den,t);axis(0 120 0 0.2);title();xlabel(Time-sec);ylabe1(Response-vahie);grid;text (45,0.7,-)得到的系统开环阶跃响应如图所示。从图2中可以看出，系统的开环响应曲线未产生振荡， 属于过阻尼性质。这类 曲线一般响应速度都比较慢。果然，从图和程序中得知，系统的上升时间约100 秒，稳态误差达到98%，远不能满足跟随设定值的要求。这是因为系统传递函 数
6、分母的常数项为50，也就是说直流分量的增益是1/50。因此时间趋于无穷远， 角频率趋于零时，系统的稳态值就等于1/50=0.02。为了大幅度降低系统的稳态 误差， 同时减小上升时间，我们希望系统各方面的性能指标都能达到一个满意 的程度，应进行比例积分微分的综合，即采用典型的PID校正。4.34.3、PIDPID 控制器的设计控制器的设计 我们通过数学模型建立模拟 PID 控制系统如下图：7模拟 PID 控制系统 模拟 PID 控制器的微分方程为 :Kp 为比例系数；TI 为积分时间常数；TD 为微分时间常数。取拉氏变换 ，整理后得 PID 控制器的传递函数为 ：其中： 积分系数；微分系数。在本
7、题中可知系统的传递函数为：4.3.1 比例（比例（P）控制器的设计）控制器的设计首先选择 P 校正，即在系统中加入一个比例放大器，也就是在系统中加入一个比例放大器，为了大幅度降低系统的稳态误差，同时减小上升时间。P 校正后系统的闭环传递函数为:() ()= + ( + )按文中数据我们取 kp=600，原系统 b=60，m=1200。利用 MATLAB 进行闭环sKsKKsTsTKsEsUsDDI PD IP)11 ()()()(IP ITKKDPDTKK)()(1)()(0dttdeTdtteTteKtuDtIP8系统的单位阶跃输入响应仿真。 仿真程序如下： kp=600;b=60;m=12
8、00;t=0:0.1:7;y=kp;u=m b+kp;sys1=tf(y,u);y1,t=step(sys1,t);sys1;plot(t,y1);grid;xlabel(Time (seconds), ylabel(Step Response) 具体分析：令() = + ( + )= + 1比较系数得 T=16/17，一阶系统的阶跃响应是一个按指数规律单调上升的 过程，其动态性能指标中不存在超调量、峰值时间、上升时间等项。按一阶系 统的过渡过程时间定义：，计算得，当增大系统的开环放大系= 3= 2.82数会使 T 减小， 减小。经过 P 校正后上升时间明显减小，但稳态误差约为4.9%，还是不能满足要求，也不能再 5 秒内上升到稳定。4.3.2 比例积分（比例积分（PI）控制器设计）控制器设计利用 PI 校正改进系统，PI 控制不仅给系统引进一个纯积分环节，而且还9引进一个开环零点。纯积分环节提高了系统的型别，从而有效的改善系统的稳 态性能，但稳定性会有所下降。所以，比例加积分环节可以在对系统影响不大 的前提下，有效改善系统的稳态性能。PI 校正
