实验题目：PID控制实验.doc

实验题目：PID控制实验学生姓名：学 号：区 队：日 期：学科名称现代控制系统实验实验目的1.理解一阶倒立摆的工作机理及其数学模型的建立及简化的方法；掌握使用Matlab/Simulink软件对控制系统的建模方法；2.通过对一阶倒立摆控制系统的设计，理解和掌握闭环PID控制系统的设计方法；3.掌握闭环PID控制器参数整定的方法；理解和掌握控制系统设计中稳定性、快速性的权衡以及不断通过仿真实验优化控制系统的方法。实验设备倒立摆实验箱、MATLAB6.5 实验原理PID控制原理分析：由前面的讨论已知实际系统的物理模型： Kp=30，Ki=0，Kd=0.5对于倒立摆系统输出量为摆杆的角度，它的平衡位置为垂直向上的情况。系统控制结构框图如图3-37，图中KD(s)是控制器传递函数，G(s)是被控对象传递函数。图1 PID控制结构框图其中此次实验只考虑控制摆杆的角度，小车的位置是不受控的，即摆杆角度的单闭环控制，立起摆杆后，会发现小车向一个方向运动直到碰到限位信号。那么要使倒立摆稳定在固定位置，还需要增加对电机位置的闭环控制，这就形成了摆杆角度和电机位置的双闭环控制。立摆后表现为电机在固定位置左右移动控制摆杆不倒。实验步骤：1、 使用MATLAB/Simulink仿真软件建立以下控制模型：图2 PID控制模块组成2、 按照PID参数整定方法调整PID参数，设计PID控制器。3、 在倒立摆教学实验软件中进行PID控制器的仿真验证。实验结果：1、 PID参数整定：设置PID控制器参数，令Kp=1，Ki=0，Kd=0，仿真得到以下图形： 从图中看出，曲线发散，控制系统不稳定。令Kp=20，Ki=0，Kd=0，仿真得到以下图形： 从图中看出，曲线振荡，系统不稳定。令Kp=50，Ki=0，Kd=0，仿真得到以下图形： 比较Kp=20与Kp=50的图像，Kp越大，曲线振荡周期越小，幅值越小。令Kp=20，Ki=0，Kd=0.5，仿真得到以下图形：令Kp=20，Ki=0，Kd=1，仿真得到以下图形：令Kp=20，Ki=0，Kd=1.5，仿真得到以下图形：比较以上三张图，可知Kd越大，稳定性越好，响应越快，超调量越小。对稳态误差没有影响。令Kp=30，Ki=0，Kd=1.5，仿真得到以下图形：与Kp=20，Ki=0，Kd=1.5的图相对比，可以看出对一个稳定的系统，Kp越大，稳定误差越小，超调量越小。令Kp=30，Ki=20，Kd=1.5，仿真得到如下图形，Ki越大，稳态误差越小，达到稳定时间越短。2、 倒立摆实时控制：综合上述实验规律，在倒立摆PID控制实验模型中输入自己整定的参数，使Kp=32，Ki=35，Kd=1.5，运行之后，摆杆能保持竖直向上，但是小车一直向同一个方向位移直至停止运行。得到如下的示波器图形：结果分析：1、 PID三个参数对控制效果的影响总结如下:1) 、比例参数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。随着KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。2)、积分作用参数Ki的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。Ki越大系统的稳态误差消除的越快。3)、微分作用参数Kd的作用是改善系统的动态性能，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动