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1、课程设计报告课程设计报告二阶系统的二阶系统的 PIDPID 校正校正院系物理与电子工程系专业班级 08 级自动化学生Word文档.学号题目：二阶系统的题目：二阶系统的 PIDPID 校正校正1. 1.设计目的设计目的首先，通过对转子绕线机控制系统的分析，加强对转子绕线机控制系统的认识，并掌握滞后校正设计的方法。其次，通过设计，培养分析问题解决问题的能力。此外，使用MATLAB 软件进展系统仿真，从而进一步掌握 MATLAB 的使用。2. 2.设计要求及任务设计要求及任务二阶系统系统的开环传递函数为二阶系统系统的开环传递函数为G(S) 255(1)(1)S(0.5S 1)0.2S(0.5S 1)
2、方框图和模拟电路分别如图方框图和模拟电路分别如图 1 1 和图和图 2 2 所示所示图 1 二阶闭环系统的方框图图 2 二阶闭环系统的模拟电路图设计要求设计要求：Kv 251,M 0.2,t 1ssps要求完成的主要任务要求完成的主要任务: :1.研究系统的暂态性能和稳态性能；2.研究系统的频率特性；.word.zl.3.研究 PID 控制器的工作原理；4.研究系统的 PID 校正方法；5.系统的仿真方法；6.系统的模拟调试。7完成设计报告3.PID3.PID 校正原理分析校正原理分析3.13.1 校正常用的性能指标校正常用的性能指标校正中常用的性能指标包括稳态精度、 稳定裕量以及响应速度等。
3、(1) 稳态精度指标: 位置误差系数 Kp, 速度误差系数 Kv 和加速度误差系数 Ka。(2) 稳定裕量指标: 相角裕量, 增益裕度 Kg，谐振峰值 Mr，最大超调量, 阻尼比。c ( tp) c ( )p 100%(3) 响应速度指标: 上升时间c ( )tr，调整时间 ts，剪切频率c , 带宽 BW, 谐振频率r。3.23.2 系统的暂态性能和稳态性能系统的暂态性能和稳态性能一一暂态响应动态响应 ：是指系统的输出从输入信号 r(t)作用时刻起，到稳定状态为止，随时间变化的过程。系统的暂态性能通常以系统在初始条件为零的情况下， 对单位阶跃输入信号的响应特性来衡量。1 1、最大超调量 sp
4、响应曲线偏离稳态值的最大值，常以百分比表示，即最大超调量说明系统的相对稳定性2 2. 峰值时间 tp响应曲线到达第一个峰值所需的时间，定义为峰值时间。3 3. 延滞时间 td响应曲线到达稳态值 50%所需的时间，称为延滞时间。4 4. 上升时间 tr反映动态初期的快慢，有 2 种定义：.word.zl.(1) 响应曲线从稳态值的 10%到 90%所需时间；(2) 响应曲线从零开场至第一次到达稳态值所需的时间。5 5. 调整时间 ts响应曲线从零开场到进入误差允许围所需时间。误差允许围通常用稳态值的绝对百分数给出，如稳态值的 95%105%或 98%102%。二二稳定性是由系统构造和参数决定的，
5、与外界输入无关。就是指系统当扰动消失后，假设系统能够恢复平衡状态，那么称系统是稳定的；假设扰动消失后不能恢复平衡状态，而偏差越来越大那么称系统是不稳定的。稳态过程(稳态响应)，是指当时间 t 趋近于无穷大时，系统输出状态的表现形式。它表征系统输出量最终复现输入量的程度，提供系统有关稳态误差的信息，用稳态性能指标来描述。系统稳态性能指标：稳态误差。3.3 PID3.3 PID 控制器的工作原理控制器的工作原理1. 1. 比例(P)(P)控制规律具有比例控制规律的控制器, 称为比例(P)控制器，Gc(s)Kp, 称为比例控制器增益。比例控制器实质上是一个放大器。在信号变换过程中, 比例控制器只改变
6、信号的增益而不影响其相位。 在串联校正中, 加大控制器增益 Kp , 可以提高系统的开环增益, 减小系统的稳态误差, 从而提高系统的控制精度, 但会降低系统的相对稳定性, 甚至可能造成闭环系统不稳定。2. 2. 微分D D控制规律具有微分控制规律的控制器，称为微分P控制器，Gc(s)=Kds，其中 Kd 为可调比例系数.在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分成正比关系。自动控制系统在克制误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件环节或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的方法是使抑制误差的作用的变化“超前，即在误差接
7、近零时，抑制误差的作用就应该是零。所以对有较大惯性.word.zl.或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。3. 3. 积分(I)(I)控制规律具有积分控制规律的控制器, 称为积分(I)控制器。Gc(s)1/(Kis), 其中 Ki 为可调比例系数。由于积分控制器的积分作用, 当输入信号消失后, 输出信号有可能是一个不为零的常量。串联校正时, 采用积分控制器可以提高系统的型别 (型系统, 型系统等), 有利于系统稳态性能的提高, 但积分控制使系统增加了一个位于原点的开环极点, 使信号产生 90的相角滞后, 对系统的稳定性不利。因此, 在控制系统的校正设计中,
8、 通常不宜采用单一的积分控制器。3.43.4 系统的系统的 PIDPID 校正方法：校正方法：校正装置接入系统的形式主要有两种:1校正装置与系统原有局部相串联,这种校正方式称为串联校正；2从系统原有局部引出反应信号, 与原有局部或其一局部构成局部反应回路, 并在局部反应回路设置校正装置，这种校正方式称为反应校正或并联校正,为提高性能, 也常采用串联反应校正。反应控制与前馈控制并用,也称为复合控制系统。串联校正简单, 较易实现。反应校正可以改善被反应包围的环节的特性 , 抑制这些环节参数波动或非线性因素对系统性能的不良影响。复合控制那么对于既要求稳态误差小, 同时又要求暂态响应平稳快速的系统尤为
9、适用。综上所述, 控制系统的校正不会像系统分析那样只有单一答案 , 也就是说,满足性能指标要求的校正方案不是唯一的。4. 4.设计方案论证设计方案论证当控制系统的性能指标不能满足期望的特性指标时，需要在已选定的系统不可变局部的根底上参加一些装置即校正装置 ，使系统能满足各项性能指标。.word.zl.4.14.1 校正前系统分析校正前系统分析根据实验要求连接实验线路图，用模拟示波器仿真实验现象如下列图一所示：图一由校正前的波形可得c ( tp) c ( )p 100%c ( )最大超调量p 为=1.621100%= 62%1调节时间 ts = 2.4s用 matlab 进展仿真可得图二，图三，
10、图四：.word.zl.图二图三.word.zl.图四4.24.2 选择校正方案选择校正方案因为超调量p 过大，调整时间ts 过长，因此要对其进展校正，根据校正要求，在系统原有局部前参加校正环节，试凑比例环节和微分环节的可调比例系数并仿真得下列图波形，符合校正要求。根据设计要求：Kv251s，可知校正装置中不能出现积分环节，有知Kv=KKv=K，那么比例环节看K Kp=1p=1。因此只需要调节微分环节的可调比例系数就能满足要求。其中取Kp=1,Kd=0.085Kp=1,Kd=0.085图五图六.word.zl.p) c ( )pc ( tc ( ) 100%图七校正仿真出来的波形如右图所示最大超调量=1.1711100%= 17%调整时间 ts=0.7s符合要求Mp 0.2，ts1s.word.zl.它的伯德图如下列图所示.4.44.4 校正前后的比拟校正前后的比拟校正前后最大超调量p 明显减小，调节时间ts 明显减短，系统因参加校正装置，稳态性能和暂态性能明显得到改善，微分环节的参加使系统克制误差调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。参考文献参考文献1 胡寿松 自动控制原理(第五版) ：科学.20072 静. MATLAB 在控制系统中的应用. ：电子工业. 2007.word.zl.
