《PID控制特性的实验研究》由会员分享,可在线阅读,更多相关《PID控制特性的实验研究(22页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、如果您需要使用本文档,请点击下载按钮下载!2011-2012 学年第 1 学期 院 别: 控制工程学院 课程名称: 自动控制原理A 实验名称: pid控制特性的实验研究 实验教室: 6111 指导教师: 瞿福存 小组成员(姓名,学号): 实验日期: 2011 年 12 月 5 日 评 分:如果您需要使用本文档,请点击下载按钮下载!一、实验目的 1、学习并掌握利用MATLAB编程平台进行控制系统复数域和频率域仿真的方法。 2、通过仿真实验研究并总结pid控制规律及参数对系统特性影响的规律。 3、实验研究并总结pid控制规律及参数对系统根轨迹、频率特性影响的规律,并总结系统特定性能指标下根据根轨迹
2、图、频率响应图选择pid控制规律和参数的规则。二、实验任务及要求(一)实验任务设计如图所示系统,进行实验及仿真程序,研究在控制器分别采用比例(p)、比例积分(pi)、比例微分(pd)及比例积分微分(pid)控制规律和控制器参数(Kp、Ki、Kd)不同取值时,控制系统根轨迹和阶跃响应的变化,总结pid控制规律及参数变化对系统性能、系统根轨迹、系统阶跃响应影响的规律。具体实验内容如下:1、比例(p)控制,设计参数Kp使得系统处于过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三种状态,并在根轨迹图上选择三种阻尼情况的Kp值,同时绘制对应的阶跃响应曲线,确定三种情况下系统性能指标随参数Kp的变化情况。总结比例(p)控制的规
3、律。2、比例积分(pi)控制,设计参数Kp、Ki使得由控制器引入的开环零点分别处于:1)被控对象两个极点的左侧;2)被控对象两个极点之间;3)被控对象两个极点的右侧(不进入右半平面)。分别绘制三种情况下的根轨迹图,在根轨迹图上确定主导极点及控制器的相应参数;通过绘制对应的系统阶跃响应曲线,确定三种情况下系统性能指标随参数Kp和Ki的变化情况。总结比例积分(pi)控制的规律。3、比例微分(pd)控制,设计参数Kp、Kd使得由控制器引入的开环零点分别处于:1)被控对象两个极点的左侧;2)被控对象两个极点之间;3)被控对象两个极点的右侧(不进入右半平面)。分别绘制三种情况下的根轨迹图,在根轨迹图上确
4、定控制器的相应参数;通过绘制如果您需要使用本文档,请点击下载按钮下载!对应的系统阶跃响应曲线,确定三种情况下系统性能指标随参数Kp和Kd的变化情况。总结比例积分(pd)控制的规律。4、比例积分微分(pid)控制,设计参数Kp、Ki、Kd使得由控制器引入的两个开环零点分别处于:1)实轴上:固定一个开环零点在被控对象两个开环极点的左侧,使另一个开环零点在被控对象的两个极点的左侧、之间、右侧(不进入右半平面)移动。分别绘制三种情况下的根轨迹图,在根轨迹图上确定主导极点及控制器的相应参数;通过绘制对应的系统阶跃响应曲线,确定三种情况下系统性能指标随参数Kp、Ki和Kd的变化情况。2)复平面上:分别固定
5、两个共轭开环零点的实部(或虚部),让虚部(或实部)处于三个不同位置,绘制根轨迹图并观察其变化;在根轨迹图上选择主导极点,确定相应的控制器参数;通过绘制对应的系统阶跃响应曲线,确定六种情况下系统性能指标随参数Kp、Ki和Kd的变化情况。综合以上两类结果,总结比例积分微分(pid)控制的规律。(二)实验要求1、合理选择p、pi、pd、pid控制器参数,使开环系统极零点分布满足实验内容中的要求。通过绘图展示不同控制规律和参数变化对系统性能的影响。根轨迹图可以单独绘制,按照不同控制规律、不同参数将阶跃响应绘制于同一幅面中。2、通过根轨迹图确定主导极点及参数值,根据阶跃响应曲线确定系统性能指标并列表进行
6、比较,总结控制器控制规律及参数变化对系统特性、系统根轨迹影响的规律。3、总结在一定控制系统性能指标要求下,根据系统根轨迹图和阶跃响应选择pid控制规律和参数的规则。4、全部采用MATLAB平台编程完成。三、实验方案设计(含实验参数选择、控制器选择、仿真程序等)1、比例(p)控制,设计参数Kp使得系统处于过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三种状态,并在根轨迹图上选择三种阻尼情况的Kp值,同时绘制对应的阶跃响应曲线。仿真程序:p=1;q=1 10 16;rlocus(p,q);rlocfind(p,q) rlocfind(p,q) rlocfind(p,q)gtext(过阻尼);gtext (临界阻尼);
7、gtext(欠阻尼); 得到系统根轨迹图,在根轨迹图上选择点,即得到三个开环增益值Kp=2(过阻尼),Kp=7.0457(临界阻尼),Kp=22.5434(欠阻尼)。 如果您需要使用本文档,请点击下载按钮下载!绘制三种状态的阶跃响应曲线仿真程序:kp=1.3 4 4.4;t=0:0.1:6; hold on for i=1:length(kp) sys=tf(kp(i),1 8 12+kp(i); subplot(2,2,i);step(sys,t) end hold off grid on gtext(Kp=2过阻尼);gtext(Kp=7临界阻尼);gtext(Kp=22.5欠阻尼);ho
8、ld on2、比例积分(pi)控制:1)被控对象两个极点的左侧;则必须满足Ki6Kp,令Ki=10Kp。仿真程序:p=1 14;q=1 10 16 0;rlocus(p,q);rlocfind(p,q) rlocfind(p,q) rlocfind(p,q)gtext(过阻尼);gtext (临界阻尼); gtext(欠阻尼);得到系统根轨迹图,在根轨迹图上选择点,即得到三个开环增益值Kp= 0.24444(过阻尼),Kp= 0.8051(临界阻尼),Kp= 31.9849(欠阻尼)。绘制相应的阶跃响应曲线仿真程序:kp=0.3 0.6 15.7;t=0:0.1:20; hold on for
9、 i=1:length(kp) sys=tf(kp(i) 10*kp(i),1 8 12+kp(i) 10*kp(i); subplot(2,2,i);step(sys,t) end hold off grid on gtext(Kp=0.2过阻尼);gtext(Kp=0.8临界阻尼);gtext(Kp=31.9欠阻尼);hold on2)被控对象两个极点之间;则必须满足6KpKi2Kp,令Ki=4Kp.仿真程序:p=1 14;q=1 10 16 0;rlocus(p,q);如果您需要使用本文档,请点击下载按钮下载!rlocfind(p,q) rlocfind(p,q) rlocfind(p,
10、q)gtext(过阻尼);gtext (临界阻尼); gtext(欠阻尼);得到系统根轨迹图,在根轨迹图上选择点,即得到三个开环增益值Kp= 2.1186(过阻尼),Kp= 2.3626(临界阻尼),Kp= 70.7843(欠阻尼)。绘制相应的阶跃响应曲线仿真程序:kp=1.3 1.7 85.0;t=0:0.1:10; hold on for i=1:length(kp) sys=tf(kp(i) 4*kp(i),1 8 12+kp(i) 4*kp(i); subplot(2,2,i);step(sys,t) end hold off grid on gtext(Kp=2.1过阻尼);gtex
11、t(Kp=2.4临界阻尼);gtext(Kp=70.8欠阻尼);hold on3)被控对象两个极点的右侧(不进入右半平面);则必须满足2KpKi0,令Ki=Kp。仿真程序:p=1 1;q=1 10 16 0;rlocus(p,q);rlocfind(p,q) rlocfind(p,q) rlocfind(p,q)gtext(过阻尼);gtext (临界阻尼); gtext(欠阻尼);得到系统根轨迹图,在根轨迹图上选择点,即得到三个开环增益值Kp= 4.5338(过阻尼),Kp= 10.8873(临界阻尼),Kp= 60.1969(欠阻尼)。绘制相应的阶跃响应曲线仿真程序:kp=3.3 5.4
12、47.5;t=0:0.1:20; hold on for i=1:length(kp) sys=tf(kp(i) kp(i),1 8 12+kp(i) kp(i); subplot(2,2,i);step(sys,t) end hold off grid on gtext(Kp=4.5过阻尼);gtext(Kp=10.9临界阻尼);gtext(Kp=60.2欠阻尼);hold on如果您需要使用本文档,请点击下载按钮下载!3、比例微分(pd)控制:1)被控对象两个极点的左侧;则必须满足KdKp/6;令Kd=Kp/10仿真程序:p=0.1 1;q=1 10 16;rlocus(p,q);rloc
13、find(p,q) rlocfind(p,q) rlocfind(p,q)rlocfind(p,q)得到系统根轨迹图,在根轨迹图上选择点,即得到三个开环增益值Kp= 1.4199,Kp= 1.9100,Kp= 20.2324,Kp= 25.2324。绘制相应的阶跃响应曲线仿真程序:kp=5.7 36.5 203.1 233.1;t=0:0.1:5; hold on for i=1:length(kp) sys=tf(0.1*kp(i) kp(i),1 8+0.1*kp(i) 12+ kp(i)); subplot(2,2,i);step(sys,t) end hold off grid on gtext(Kp=1.4);gtext(Kp=1.9);gtext(Kp=20.2);gtext(Kp=25.3);hold on2)被控对象两个极点之间;则必须满足Kp/6KdKp/2,令Kd=Kp/5仿真程序:p=