毕业论文-直流伺服系统的PID控制器设计.pdf

直流伺服系统的PID控制器设计直流伺服系统的PID控制器设计学生姓名：段青班级：110315指导老师：洪连环摘要：摘要：近些年来，直流伺服控制系统被广泛应用于工业生产，这已经成为自动化领域的一项重要部分。伺服系统在机械制造行业中占据着重要位置，是用得最多最广泛的控制系统。在实际的工业生产中，会有许多信号干扰着系统，PID控制器可以校正系统参数，使系统达到最佳状态。本设计利用固高公司的GSTM2014实验平台，完成PID控制器的设计及参数整定。本设计采取实验法建立直流伺服电机的实验模型。先在EasyMotionStudio中设置系统参数，然后使用Matlab辨识系统模型，得出系统模型的开环传递函数，再根据系统的闭环传递函数在MatlabSimulink环境下仿真验证系统模型。接着对PID控制进行简介，了解PID控制器各校正环节的作用。最后使用凑试法整定PID参数，在MatlabSimulink环境下加入PID校正模块对系统进行仿真得到仿真曲线，接着连接上直流伺服电机测试系统的实时控制。经过验证，加入PID校正模块后，系统的超调量和调节时间得到了改善。关键字关键字：直流伺服PID控制MATLAB指导老师签字：指导老师签字：PIDControllerDesignedForDCServoSystemPIDControllerDesignedForDCServoSystemStudentname:DuanQingClass:110315Supervisor:HongLianHuanAbstract:InrecentyearstheDCservocontrolsystemiswidelyusedinindustrialproductionithasbecomeanimportantpartinthefieldofautomation.Servosystemoccupiesanimportantpositioninthemachinerymanufacturingindustryisthemostusedofthemostextensivecontrolsystem.IntheactualindustrialproductiontherewillbealotofsignalinterferencewiththesystemPIDcontrollercancorrectthesystemparametersthesystembest.ThisdesignusesGoogolsGSTM2014experimentalplatcompletethedesignandparametersofPIDcontrollertuning.ThisdesigntechniqueisestablishedexperimentalmodeladoptedDCservomotors.FirstinEasyMotionStudiosetsystemparametersanduseMatlabidentificationsystemmodelsystemmodelobtainedopen-looptransferfunctionandthenverifythatthesystemclosed-looptransferfunctionmodelforsystemsimulationinMatlabSimulinkenvironmentbasedon.NextIntroductiontoPIDcontrolPIDcontrollersunderstandtheroleofeachpartofthecorrection.FinallyusingtrialanderrortuningPIDparametersPIDcorrectionmoduleisaddedintheMatlabSimulinkenvironmentforsystemsimulationcurvesobtainedbysimulationreal-timecontrolisthenconnectedtotheDCservomotortestsystem.ProvenafteraddingPIDcorrectionmoduletheovershootandsettlingtimehasbeenimproved.Keywords：DCServoPIDControlMATLABSignatureofSupervisor:目录目录1引言1.1直流伺服系统简介.11.2直流伺服系统的控制理论.11.3直流伺服系统的PID控制现状.11.4课题研究的意义.21.5课题研究的内容.32GSTM2014直流电机伺服系统的简介2.1概述.42.2直流伺服电机的性能参数.52.3智能伺服系统控制器及其开发环境.63直流伺服系统的数学模型3.1直流伺服系统的建模理论.93.2直流伺服系统的建模.103.2.1直流伺服系统的参数设定.103.2.2直流伺服系统的系统辨识.123.2.3直流伺服系统的模型验证.184PID控制及其参数整定4.1PID控制简介.254.1.1PID原理.254.1.2PID控制器各校正环节的作用.264.2凑试法整定PID参数.274.2.1未校正系统Simulink仿真.274.2.2加入PID校正环节后的系统Simulink仿真.274.2.3加入PID校正环节后系统实时控制.344.2.4PID控制前后系统性能对比.37结论.38参考资料.39致谢.40附录1.41南昌航空大学学士学位论文1直流伺服系统的PID控制器设计直流伺服系统的PID控制器设计1引言1引言1.1直流伺服系统简介1.1直流伺服系统简介直流伺服，简而言之就是使用直流电源工作，在具体的应用中，它有着交流伺服无可比拟的优势，它的最大优点就是不会像交流伺服那样产生逆变磁场对外围发出干扰，这一点对于医疗设备来说，有着至关重要的意义。从成本上考虑，直流伺服系统与交流伺服系统并没有明显的优势，但直流伺服比交流伺服具有更加多样化的控制方式。随着科技的发展，直流伺服系统的使用越来越普遍了，新型的直流伺服系统也层出不穷，直流伺服系统逐渐发展成可以满足一般工业生产要求，具有低成本、少维护、使用简单的特点。1.2直流伺服系统的控制理论1.2直流伺服系统的控制理论20世纪50年代末，由于生产迅速向大型化、连续化的方向发展，过程日益复杂，原有的简单控制系统已经不能满足要求，自动控制理论和应用技术面临着工业生产实际要求的严峻挑战，现代控制理论应运而生。20世纪七八十年代，现代控制理论得到了快速发展，并在某些尖端技术领域取得惊人的成就。随着计算机技术、微电子技术和网络技术等的快速发展，数控、自动控制及工业机器人的制造水平、控制速度、精度和可靠性不断提高，自动化和智能化将成为未来技术发展的趋势和方向，PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一2。随着科技的发展，PID控制逐渐和其他学科进行交叉，产生了新的PID控制理论，如模糊PID控制，神经网络PID控制，自适应PID控制等。1.3直流伺服系统的PID控制现状1.3直流伺服系统的PID控制现状PID调节器及其改进型是在工业控制中最常见的控制器。我们今天所熟知的PID控制器产生并发展于19151940年期间，尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中3。PID控制技术的发展具体能分成两个阶段，20世纪30年代末，随着微分控制的加入，PID控制成为一种标准结构，也是PID控制两个发展阶段的分水岭。第一个阶段为发明阶段(1900南昌航空大学学士学位论文2年1940年)，PID控制的思想逐渐明确气动反馈放大器被发明，仪表工业的重心放在实际PID控制器的结构设计上，第二阶段是革新阶段(1940年以后)，在接下的发展中，PID控制器已成为了一种可靠的、鲁棒性强的、应用简单的控制器4。上世纪20年代Minorsky在对船舶自动导航的研究中提出了基于输出反馈的PID控制器的设计方法到了上个世纪40年代PID控制器已在过程控制中得到了广泛的应用5。1965年，美国加州大学L.A.Zadeh提出模糊集FuzzySet理论，20世纪80年代模糊控制器已经在许多领域推广应用，如蒸汽发动机、交流伺服系统、舰艇、飞机、空调器、洗衣机等都有应用了模糊控制的理论6。在实际工业工程中，PID调节由于其结构简单、参数易于整定、操作方便、稳定性好而成为目前应用最广泛的控制算法。特别是在工业过程控制中，由于干扰信号的影响，被控对象的精确数学模型难以建立，系统的参数很难稳定下来，系统难以满足工作的要求，往往会采用PID控制。根据经验进行现场在线整定，以便得到满意的效果。PID控制，实际中也有PI和PD控制。随着微机技术的发展，PID控制算法已经能用微机简单实现。由于软件系统的灵活性，PID算法得到了修正变得更加完善。PID控制的研究历史非常悠久，在过程控制中，应用最广泛，获得的成就也很大，这是因为PID具有鲁棒性、优化结构模式与智能化特色。PID的研究包括如下几个方面：PID最优参数整定；PID算式的最优化结构；以PID为基础的先进控制系统；自适应PID；专家系统与智能PID。1.4课题研究的意义1.4课题研究的意义近年来，全球的机械制造业都处于数量化、数控化、自动化和半自动化的潮流中。微电子技术的应用，特别是微型计算机的普及，给数控化生产带来了巨大的发展空间。在我国，70年代才开始这方面的研究。现已基本上形成了系列产品电机可同轴装配的高灵敏度直流发电机和脉冲编码器，广泛应用于各种自动化控制系统。为我国数控机床及机床行业产品的更新、旧机床的改进提供了可靠的执行元件，它对提高加工质量和精度，大幅度降低废品率和成本起很大的作用。我国现在有大量的机床需改进、更新，因此有很大的市场。随着科技的飞速发展，由于PID调节器相对于其他调节器具有更好的控制效果，很快就获取了人们的认可。经过了60多年的应用考验，PID控制的方式已被证明是一个很好的控制器模式，特别是近些年来在电气传动及机电控制等非自动化仪表传统的应用领域中，也采用PID可以说PID应用领域越来越大。至今大部分的闭环反馈南昌航空大学学士学位论文3控制回路仍采用PID控制，它包括测量、比较和执行三个基本要素。对被控量进行测量，测量的结果与设定值相比较，通过它们之间的偏差来调节系统的响应。控制过程中的关键是如何在做出正确测量与比较后去调节控制系统，也就是采用何种控制算法，这是设计一个控制系统最关键的部分，系统的性能好坏很大程度上由控制算法来决定。从控制算法的研究开始到现在，一般都是采用PID控制，PID控制作为一种经典的控制方法，几乎遍及了整个工业自动化领域，就算在理论和技术飞速发展的今天，仍然到处可见PID控制的影子，而且占据了相当大的一部分，同时对于现在发展起来的许多高级控制方式也有一部分是以PID控制为基础的。PID的原理很简单，使用起来较方便；其适应性强且鲁棒性强，PID的控制品质对被控对象的变化不太敏感，十分适用于环境恶劣的工业生产现场。至今为止，PID控制还是广泛应用于工业过程控制中。1.5课题研究的内容1.5课题研究的内容本设计利用固高公司的GSTM2014实验平台，完成PID控制器的设计及参数整定。根据设计任务的要求，通过PID控制，使系统具有比较好的瞬态性能：调整时间不大于2s，超调量不大于15%。转速误差不大于10%。本文首先，用实验法建立直流伺服系统的数学模型；其次，研究PID控制理论并使用凑试法整定PID参数；接着在MatlabSimulink环境下进行PID控制器的仿真设计；最后在GSTM2014实验平台上进行实验验证，使得直流伺服电机控制系统的性能满足设计要求。南昌航空大学学士学位论文422GSTM2014直流电机伺服系统的简介直流电机伺服系统的简介2.1概述2.1概述直流伺服电机控制实验一般在直流伺服系统的控制平台进行，它能满足电机的控制，运动的控制，电工电子，随动系统，扰动系统等基础的实验与研究。系统的结构一般较简单，即容易分析又方便实验。图2-1GSTM2014直流电动机图本系统中使用了典型的直流伺服电机，充分发挥其体积小、动作快反应迅速、过载能力强、调速范围大等优点。因而在实现精密调速和位置控制的随动系统中得到普遍应用。驱动控制系统具有两种方式，一种是使用常用的PWM智能伺服驱动，这种智能伺服驱动含有速度、力矩和位置控制模式，可以进行各种各样的闭环控制实验。也可以使用由固高科技开发的模拟量控制系统作为驱动，系统采用了线性功放作为驱动电路，这样就方便进行电工电子的实验。控制软件可以采用图形化的MotionStudio和Matlab以及LabVIEW界面，提供VC环境下的开发库，可以供进行研究的客户进行各种开发，系统控制框图如图2-2，南昌航空大学学士学位论文5控制结构如图2-3。图2-2系统控制框图图2-3控制结构图2.2直流伺服电机的性能参数2.2直流伺服电机的性能参数电机的参数决定了电机的性能，电机的主要参数有电阻、电感、转动惯量、功率、机电时间常数和转矩常数等。其测量方法分别为：1)电阻：使用万用表可以快速的测量出电机线圈的电阻。2)电感：使用LCR表来测量电机线圈的电感。3)转动惯量在MotionStudio程序中直接检测转子的转动惯量或是系统的总转动惯量，具体法请参见MotionStudio使用说明书测量转动惯量。南昌航空大学学士学位论文64）机电时间常数机电时间常数me是指：电机在空载时，给电枢施加一定的电压，使其转速由0上升到稳定转速的63.2%所需要的时间，因此，只要检测出电机运行时间和速度就可计算得到。5)转矩常数电动机电磁转矩方程为：Tem=KtIa（2.1）其中Tem电机转矩；Kt转矩常数；Ia电枢电流；通过测量电机力矩输出和电流的关系，计算得到其转矩常数。直流伺服电机的驱动原理图如图2-4。图2-4直流伺服电机的驱动原理图直流伺服电机主要参数见附录1。2.3智能伺服系统控制器及其开发环境2.3智能伺服系统控制器及其开发环境伺服系统在机电设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统能够提供灵活、方便、准确、快速的驱动。随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化的时代。下图2-5为智能伺服运动控制器的总体结构。南昌航空大学学士学位论文7图2-5智能伺服运动控制器的总体结构图MotionStudio是智能伺服控制器的开发环境，是一款基于Windows环境的高性能可视化软件用于开发包含有Technosoft智能伺服驱动的运动解决方案它容许您配置一个运动系统(包括运动系统元素定义和控制器参数测定)利用高级集成工具设计运动程序它可以自动生成TML代码，深层代码开发工具容许进一步的编辑和直接编译、连接、产生执行代码并送到IPM驱动器最后先进的图形显示工具：如数据记录、控制按钮和TML变量观测可用于分析系统的运动。其界面如下图2-6所示：图2-6MotionStudio的工作界面根据实验测量得到的电机参数，在下图2-7所示的界面中设置参数：南昌航空大学学士学位论文8图2-7MotionStudio的工作界面设置位置环，电流环和速度环的各参数：图2-8MotionStudio的参数设置界面在设置位置环和速度环参数后，对系统进行“TuneTest”实验，改变参数，直到可以达到满意的控制效果。南昌航空大学学士学位论文93直流伺服系统的数学模型3直流伺服系统的数学模型3.1直流伺服系统的建模理论3.1直流伺服系统的建模理论系统建模有两种方式：实验建模和机理建模。机理建模是在了解研究对象的运动规律基础上，通过物理、化学的知识和数学手段建立起系统内部的输入-输出状态关系。实验建模是通过在研究对象上加上一系列的研究者事先确定的输入信号，激励研究对象并通过传感器检测其可观测的输出，应用数学手段建立起系统的输入输出关系。这里面包括输入信号的设计选取，输出信号的精确检测，数学算法的研究等等内容。实验法可以测量一阶惯性环节、二阶系统的数学模型，并且满足一般工业应用的精度。下面建立一阶系统的直流电机的数学模型。设被测系统数学模型为s-1)(eTsKsG，则阶跃响应图为3-1，采用数学模型的实验测定法，有延迟的一阶惯性环节拟合的两点法，可确定参数K、T、。图3-1具有延迟环节的一阶系统阶跃响应图若选择ytyyty63.039.021（3.1）aUyK（3.2）南昌航空大学学士学位论文10则可得：122ttT（3.3）212tt上述数据可以带入下式验证ytyTtytyTt87.0255.08.04433（3.4）3.2直流伺服系统的建模3.2直流伺服系统的建模3.2.1直流伺服系统的参数设定3.2.1直流伺服系统的参数设定1)将ISM4803_DC_motor_2012.05.08文件夹拷贝至EasyMotionStudio安装目录Root:ProgramFilesTechnosoftESMSetupFiles下；2)运行EasyMotionStudio，选择“Communication”菜单下“Setup”，设置Port为Com2，如图3-2所示。图3-2CommunicationSetup图3）打开GSMT2000-EMS，点击Open加载“ISM4803_DC_motor_2012.05.08”配置文件，如图3-3所示。图3-3GSMT2000-EMS图南昌航空大学学士学位论文114）确认ControlMode为Speed，在Externalreference中选择“Yes”，点击“Setup”按钮，设置模拟量相关参数，如下图3-4、3-5所示：图3-4模拟量相关参数设置图图3-5模拟量相关参数设置图5)设置完毕后退出页面返回“Setup”窗口，点击“DownloadtoDriverMotor”将设置的参数下载到驱动器中，然后点击Reset按钮激活参数。最后退出EasyMotionStudio，如图3-6所示：南昌航空大学学士学位论文12图3-6设置的参数载入驱动器3.2.2直流伺服系统的系统辨识3.2.2直流伺服系统的系统辨识1)先将轴一电机上的同步带卸掉，打开Matlab，构建并保存为Test.mdl文件，如图3-7所示。图3-7Test.mdl2)双击“Step”模块，设置Finalvalue=1000，测试在该激励下的系统响应，如图3-8所示。南昌航空大学学士学位论文13图3-8参数设置窗口3)打开直流伺服系统控制平台电控箱上的电源按钮；4)选择“SimulationConfigurationParameters”，会弹出如下窗口，点击左侧属性树中的“Solver”，将“Type”设置为Fixed-step，并将size设为0.01；另将“Solver”设置为“ode1(Euler)”，如图3-9所示。图3-9参数设置窗口5）点击“”编译程序编译成功后在Matlab命令窗口中有提示信息如图3-10所示。图3-10窗口提示信息6)点击“”连接程序，此时可听到电控箱中继电器接通时发出一声轻响；7)点击“”运行程序，电机开始转动，任其运行10秒钟左右，然后点击“”停止程序，打开”Scope”；8)直流伺服电机实际电压为26.12V，最高转速2000rpm，且自带1000线编码器，经控制器4倍频放大后，测得1000rpm阶跃输入下系统的响应如图3-11。横轴时间南昌航空大学学士学位论文14单位：秒；纵轴单位rpm。图3-111000rpm阶跃响应图14）从图3-11，3-123-13可以看出，阶跃输入幅值为1000rpm，稳态平均值1000rpm，调节时间0.49s（2%误差带），超调量为0。把数据代入式（3.1）、（3.2）、（3.3）、（3.4）。图3-12t=0.1165时局部放大图rpmy1000，39039.01yty，从图中读取st1165.01南昌航空大学学士学位论文15图3-13t=0.1773时局部放大图63063.02yty，从图中读取st1773.021216.0)(212ttT0557.0221tt110001000K检验：sTt153.08.03，从图中读取3ty，计算出%86.5410006.5483ytysTt2989.024，从图中读取4ty，计算出%79.8710009.8774yty南昌航空大学学士学位论文16图3-14t=0.153s时局部放大图图3-15t=0.2989s时局部放大图误差：%908.087.087.08779.0%273.055.055.05486.043tt满足系统要求，则系统的传递函数为sucessnsnsG0557.011216.01（3.5）南昌航空大学学士学位论文17将se0557.0泰勒展开，分别1、2、3、4.项，仿真验证。打开Matlab，构建阶跃响应仿真图，如下图3-16所示：图3-16阶跃响应仿真图此处取两项，11216.010557.0ses，则：11216.0110557.01sssnsnsGuc（3.6）则其系统阶跃响应仿真如下图:图3-17辨识系统数学模型的阶跃响应图从图中可看出，当输出1000rpm的阶跃信号时，稳态平均值1000rpm，调节时间0.496s（2%误差带），超调量为0。由图3-17可看出系统的数学模型符合要求。南昌航空大学学士学位论文183.2.3直流伺服系统的模型验证3.2.3直流伺服系统的模型验证在Matlab中建立数学模型所表示的单位负反馈闭环系统的Simulink结构图如下图3-18所示。图3-18系统的Simulink结构图1)打开MatlabSimulink仿真环境，如图3-19所示。图3-19MatlabSimulink仿真环境图2)在窗口的左上角点击“”新建一个“untitled”窗口。3)在“SimulinkLibraryBrowse”中，打开“SimulinkContinuous”窗口，如图3-20所示。图3-20打开“SimulinkContinuous”窗口4）将“TransferFcn”模块放入刚刚新建的“untitled”窗口内，如图3-21所示。南昌航空大学学士学位论文19图3-21加入“TransferFcn”模块5）双击“TransferFcn”模块，设定参数如下面图3-22所示。图3-22“TransferFcn”模块的参数设定6）右键点击“TransferFcn”模块，设定“BackgroundColor”为Cyan，如下图3-23所示。南昌航空大学学士学位论文20图3-23设定“TransferFcn”模块的背景颜色7）另外复制一个“TransferFcn”模块，双击设定参数，并设定其背景颜色为绿色，如下图3-24所示。图3-24“TransferFcn”模块参数设定8）从“SimulinkSinks”窗口中拉一个“Scope”模块到“untitled”窗口内，如下图3-25所示。南昌航空大学学士学位论文21图3-25“SimulinkSinks”窗口9）打开“Scope”模块，点击窗口的左上角“”按钮，勾选“Savedatatoworkspace”，并自定义输出的“Variablename”，“at”选Array，如下图3-26所示。图3-26”Scope”设定10)从“SimulinkCommonlyUsedBlocks”中拉一个“Sum”到“untitled”窗口内，如图3-27所示。图3-27“SimulinkCommonlyUsedBlocks”窗口图11)双击“Sum”模块，设定反馈如下图3-28所示。南昌航空大学学士学位论文22图3-28“Sum”模块反馈设定12)从“SimulinkSources”窗口中拉一个“Constant”模块到“untitled”窗口内，并设定常数值为1000，如下图3-29、3-30所示。图3-29“SimulinkSources”的窗口南昌航空大学学士学位论文23图3-30“Constant”的参数设定13）按下图所示连接五个模块，并将文件保存为“ClosedLoop_Sim”，默认格式为mdl，如下图3-31所示。图3-31模块的连接14)点击按钮“”，双击“Scope”模块，得到了系统的仿真曲线如图3-32。图3-32系统的仿真曲线图由上图可以看出：系统的稳态值为1000rpm，稳态误差为0，超调量2.26%。南昌航空大学学士学位论文24图3-33系统的仿真曲线ts=0.362s点放大图由上图可以看出，转速为1020rpm(2%误差)时，调节时间ts=0.362s。由仿真结果可知：闭环系统稳定，稳态值为1000rpm，稳态误差为0，超调量：2.26%调节时间：ts=0.362s。系统的传递函数及性能如下表3-1所示。表3-1系统传递函数及性能内容数据开环系统传递函数11216.0110557.01sssnsnsGuc闭环系统传递函数11773.01216.00557.012sssG闭环系统输入1000rpm闭环系统输出信号闭环系统稳定，稳态误差为0，2.26%，tp=0.362s南昌航空大学学士学位论文2544PID控制及其参数整定控制及其参数整定4.14.1PID控制简介控制简介.1PID原理原理在模拟控制系统中，最基本与常用的控制方法就是PID控制算法，即按照偏差信号的比例P、积分I和微分D进行控制的算法，简称PID控制，又称PID调节。在实际工业工程中，以其结构简单、参数易于整定、操作方便、稳定性好而成为目前应用最广泛的控制算法。特别是在工业过程控制中，由于干扰信号的影响，加大了建立被控对象的精确数学模型的难度，系统的参数很难稳定下来，从而系统难以达到工作要求，往往会采用PID控制。根据经验进行现场在线整定，以便得到满意的效果。PID控制，实际中也有PI和PD控制。随着微机技术的发展，PID控制算法已经能用微机简单实现。由于软件系统的灵活性，PID算法得到了修正变得更加完善。PID的控制算法有很多，不同的算法各有其针对性。图4.1，图4.2，图4.3给出了三种不同的算法。模拟PID控制系统原理框图如下图4.1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图4.1模拟PID控制系统的原理图图4.2微分先行PID控制的原理图南昌航空大学学士学位论文26图4.3伪PID控制的原理图PID控制器作为一种线性控制器，它能够根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)：tytrte(4.1)将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为:ttdipdtdeTdtteTteKtu01(4.2)或写成传递函数的形式sTsTKsEsUsGdip11(4.3)式中:Kp比例系数；Ti积分时间常数；Td微分时间常数。在控制系统设计和仿真中，也将传递函数写成:sKsKsKsKsKKsEsUsGipddip2(4.4)式中：Kp比例系数；Ki积分系数；Kd微分系数。上式从根轨迹角度来看，相当于给系统增加了一个位于原点的极点和两个位置可变的零点。.2PID控制器各校正环节的作用控制器各校正环节的作用PID控制器各校正环节的作用如下：1)比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。2)积分环节：主要用于消除稳态误差，提高系统的型别。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。南昌航空大学学士学位论文273)微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。4.2凑试法整定4.2凑试法整定PID参数参数直流伺服电机闭环控制的结构图为如下图4-1所示，在MatlabSimulink中构建仿真程序。图4-1直流伺服电机闭环控制的结构图4.2.1未校正系统4.2.1未校正系统Simulink仿真仿真未校正系统的Simulink仿真具体如本文的第三章所示。4.2.2加入4.2.2加入PID校正环节后的系统校正环节后的系统Simulink仿真仿真1)从SimulinkLibrary中拖一个“Subsystem”模块至“UncorSys_Sim.mdl”中，如下图4-2和4-3所示。图4-2“Subsystem”模块南昌航空大学学士学位论文28图4-3在“UncorSys_Sim.mdl”中加入“Subsystem”模块2)打开Subsystem模块，搭建PID模块。首先从“SimulinkLibraryCommonlyUsedBlocks”中拖三个“Gain”模块到窗口内，分别命名为KpKiKd，如下图4-4所示。图4-4“Gain”模块3)从“SimulinkLibraryContinuous”中拖一个“Derivative”模块和一个“Integrator”模块到窗口中，如下图4-5和4-6所示。南昌航空大学学士学位论文29图4-5“Derivative”模块图4-6“Integrator”模块4)从“SimulinkLibraryCommonlyUsedBlocks”中拖一个“Sum”模块到窗口内，如下图4-7所示。南昌航空大学学士学位论文30图4-7“Sum”模块5)双击“Sum”模块，设定反馈如下图4-8所示。图4-8“Sum”模块反馈的设定6)按下图4-9所示连接各个模块，双击打开Kp、Ki、Kd三个模块，将其Gain值对应设置为Kp、Ki、Kd。南昌航空大学学士学位论文31图4-9连接各模块图4-10设置“Gain”的值南昌航空大学学士学位论文327)关闭窗口，返回上一层程序，将子模块连接到被测系统前面，如图4-11所示。图4-11连接后的程序8)右键点击PID模块，选择“EditMask”选项，按照下图4-12所示设置封装模块的属性。图4-12设置PID模块的封装属性南昌航空大学学士学位论文339)右键点击PID模块，设置模块“背景颜色”为“橘黄色”，最终控制程序如下图4-13所示。图4-13最终控制程序10)另存文件为PID_Sim，默认格式为mdl。双击打开PID模块，设置Kp=0.4，Ki=4.5，Kd=0，如下图4-14所示图4-14设置PID参数11)点击按钮“”，双击“Scope”模块，得到了系统的仿真曲线如下图4-15和4-16所示。图4-15系统的仿真曲线由上图4-15可知系统的稳态值为1000rpm，超调量0稳态误差为0。南昌航空大学学士学位论文34图4-16仿真曲线的局部放大图由上4-16图可知，当转速为980rpm(2%的误差)时，时间st335.0。加入PID校正模块后的系统仿真结果为：稳态值为1000rpm；超调量0调节时间st0.335s，稳态误差为0，满足系统设计要求。4.2.3加入4.2.3加入PID校正环节后系统实时控制校正环节后系统实时控制1)打开直流伺服系统控制平台电控箱上的电源按钮。2）打开Matlab，构建下图4-17所示的实时控制模块，并将文件保存为“PID_CorSys_Ctrl”，默认格式为“mdl”。图4-17实时控制模块3）设置PID参数为：Kp=0.08，Ki=6，Kd=0.011，如下图4-18所示。南昌航空大学学士学位论文35图4-18PID参数设置4)由于电机最高转速2000rpm，因此，我们设定阶跃信号为1000rpm。5)选择“SimulationConfigurationParameters”，会弹出如下图4-19所示的窗口，点击左侧属性树中的“Solver”，将“Type”设置为Fixed-step，并将size设为0.01；另将“Solver”设置为“ode1(Euler)”。图4-19参数设置窗口6）点击“”编译程序编译成功后在Matlab命令窗口中有提示信息如图4-20所示。图4-20窗口提示信息7)点击“”连接程序，此时可听到电控箱中继电器接通时发出一声轻响；8)点击“”运行程序，电机开始转动，任其运行10秒钟左右，然后点击“”停止程序，打开”Scope”；9）双击打开示波器“Scope”模块，观察加入1000rpm的阶跃信号时直流伺服电南昌航空大学学士学位论文36机转速响应曲线如下图4-21和4-22所示，测量并记录超调量，峰值时间tp，调节时间ts。图4-21直流伺服电机转速响应曲线由上图4-21可知：系统的的稳态值为1000rpm，超调量0稳态误差为0。图4-22直流伺服电机转速响应曲线局部放大图由上4-22图可以看出，当转速为980rpm(2%的误差)时，时间st359.0。加入PID校正模块后，系统实测结果为：稳态值为1000rpm；超调量0；调节时间st0.359s；稳态误差为0，系统满足设计要求。南昌航空大学学士学位论文3.4PID控制前后系统性能对比控制前后系统性能对比使用PID校正环节后，系统得到了较好的改善，超调量降为了0，调节时间也相对变短了。表2系统的性能参数表项目控制器参数性能指标未校正系统无稳态值1000rpm，稳态误差为0，%26.2，sts362.0校正系统仿真Kp=0.4，Ki=0.45，Kd=0稳态值1000rpm，稳态误差为0，0，sts335.0校正系统实测Kp=0.08，Ki=6，Kd=0.011稳态值1000rpm，稳态误差为0，0，sts359.0南昌航空大学学士学位论文38结论结论本次毕业设计以固高GSTM2014直流电机伺服系统为研究对象，在固高公司的GSTM2014实验平台，完成PID控制器的设计及参数整定。根据设计任务的要求，通过PID控制，使系统具有比较好的瞬态性能：调整时间不大于2s，超调量不大于15%。转速误差不大于10%。本设计采取实验法建立直流伺服电机的实验模型。先在EasyMotionStudio中设置系统参数，然后使用Matlab辨识系统模型，得出系统模型的开环传递函数，再根据系统的闭环传递函数在MatlabSimulink环境下仿真验证系统模型。接着对PID控制进行简介，了解PID控制器各校正环节的作用。最后使用凑试法整定PID参数，在MatlabSimulink环境下加入PID校正模块对系统进行仿真得到仿真曲线，接着连接上固高GSTM2014直流伺服电机测试系统的实时控制，在Matlab上观察系统的曲线，加以对比。通过验证，可以看出加入PID校正模块后，系统的超调量和调节时间都得到了良好的改善，使得系统满足设计要求。这次的毕业设计对于培养我们理论联系实际的设计思想；训练综合运用直流伺服系统和PID控制理论，巩固、加深和扩展有关现代控制方面的知识。南昌航空大学学士