控制原理大作业

1、控制理论与应用 大作业学部： 运载工程与力学学部学班院：级：汽车工程学院 运英 1301学生姓名：盛鑫学号：201373028大连理工大学Dalian University of Technology1作业题目：某直流电机转速控制系统如下图所示，其中电机电枢传递函数中的参数 K 为你学号的最后两位数字。试按以下要求完成设计与分析， 可团队完成，亦可单独完成，团队成员不超过三人。直流电机转速控制系统1. 写出被控对象的传递函数。2. 设计 PID 控制器，分析控制器参数调节对单位阶跃响应的影响。3. 在实际工程应用中，常常需要对控制器的输出进行限幅，请对限幅前后的系统性能进行对比分析，并举例分析

2、限幅的必要性。4. 目前有多种改进的 PID 控制算法，请调研其中一种，并介绍其特点。5. 请结合自动控制系统的基本性能要求、各性能要求之间的关系或自动控制的基本原理，从以下几个方面中选取一个主题谈谈本门课程学习对你的影响：（ 1）自动控制理念对社会、健康、安全、法律或文化的影响；（ 2）对你未来的研究、实践、应遵守的工程职业道德 和规范、或应履行的责任的影响。2参加人员姓名盛鑫班级运英学号201373028主要负责模块全部得分13021. 写出被控对象的传递函数。我的学号是 201373028，K=28 ；被控对象的主要环节由 G1G4 组成，其传递函数为：通过 matlab 编写：s=tf

3、('s');K=28;G1=K/(s+K);G2=13.33/s;G12=feedback(G1*G2,1);G3=26347/(s+599);G4=5.2;G=G12*G3*G4G =5.114e07-s3 + 627 s2 + 1.715e04 s + 2.236e052. 设计 PID 控制器，分析控制器参数调节对单位阶跃响应的影响。单位阶跃输入下，系统的期望输出为 1/H(s)=1/0.0118=84.7458 。(1) 首先采用比例控制，令 Kp 分别取 4、5、6、7、8，且 Ti，Td=0 时，绘制 系统的阶跃响应曲线：s=tf('s');K=28

4、;G1=K/(s+K);G2=13.33/s;G12=feedback(G1*G2,1); G3=26347/(s+599);G4=5.2;G=G12*G3*G4for Kp=4:8Gc=feedback(Kp*G,0.0118); step(Gc);hold on;3endlegend('Kp=2' ,'Kp=3' ,'Kp=4' ,'Kp=5' ,'Kp=6' ); hold off;Kp 调节对单位阶跃响应的影响由图中可以看出，随着比例系数 Kp 的增加，超调量增大，系统响应速度加快， 同时稳态误差减小。随着

5、 Kp 的继续增加，会使系统不稳定。Kp继续增大系统响应4(2) 采用 PI 控制，固定比例系数 Kp=3，令 Ti 取 0.03, 0.05, 0.07 时，绘制该系统的 阶跃响应曲线：s=tf('s');K=28G1=K/(s+K);G2=13.33/s;G12=feedback(G1*G2,1); G3=26347/(s+599);G4=5.2;G=G12*G3*G4;Kp=1;for Ti=0.05:0.02:0.09PIGc=tf(Kp*Ti 1,Ti 0); %PI 控制器传递函数 Gc=feedback(PIGc*G,0.0118); step(Gc);hold

6、on;endlegend('Ti=0.05','Ti=0.07','Ti=0.09'); hold off;Ti 调节对单位阶跃响应的影响随着积分时间常数 Ti 的增加，积分作用就越弱。由图中可以看出，引入积5分环节后，能够消除系统的稳态误差，从而改善系统的稳态性能；Ti 越大，系统 的超调量越小，系统响应速度减慢；反之，Ti 越小，系统的超调量越大，系统响 应速度加快，会导致系统的相对稳定性变差。(3) 采用 PID 控制，固定比例系数 Kp=3，Ti=0.05，令 Td 分别取 0.005, 0.01, 0.015 时，绘制该系统的阶跃响应曲

7、线：s=tf('s');K=28G1=K/(s+K);G2=13.33/s;G12=feedback(G1*G2,1); G3=26347/(s+599);G4=5.2;G=G12*G3*G4;Kp=3;Ti=0.05;for Td=0.005 0.01 0.015PIDGc=tf(Kp*Ti*Td Ti 1,Ti 0); %PID控制器传递函数 Gc=feedback(PIDGc*G,0.0118); step(Gc),hold onendlegend( 'Td=0.005' ,'Td=0.01' ,'Td=0.015' )ho

8、ld off;Td调节对单位阶跃响应的影响随着微分时间常数 Td 的增加，系统的响应速度加快，调节时间减小，超调 量下降，稳定性得到了提高。但系统对扰动的抑制能力会减弱。3. 在实际工程应用中，常常需要对控制器的输出进行限幅，请对限幅前后的系6统性能进行对比分析，并举例分析限幅的必要性。取控制器参数 Kp=3，Ti=0.07，Td=0.01，建立 Simulink 下的系统仿真模型如 图所示。由示波器Control Value可以观察PID控制器的输出（控制量）曲线在控制量输出位置添加 Saturation 模块，将控制器的输出限定在-0.5 0.5之 间.并与未限幅的系统性能进行对比分析，用

9、于对比的 Simulink 框架如图所示。下图为 Scope2 显示的系统阶跃响应对比曲线，可以看出进行控制量限幅后 系统的响应速度变慢，这是由于限幅导致控制器的控制强度变弱的缘故。一种改 进方法是分段 PID 控制，即根据误差的大小，设定不同的 PID 参数。在工程实际 中，限幅可避免控制器计算出的过大控制量施加到执行器或被控对象上，从而提7pIdpID高系统运行的安全性、可靠性及工作寿命。对于输出控制，充分发挥了 PLC 在软 件连锁、互锁方面的特长。4. 目前有多种改进的 PID 控制算法，请调研其中一种，并介绍其特点。增量式 PID 控制算法所谓增量式 PID 是指数字控制器的输出只是

10、控制量的增量(k)。增量式 PID 控制系统框图如图 2-3 所示。当执行机构需要的是控制量的增量时，可以由式(2-4) 导出提供增量的 PID 控制算式。根据递推原理可得:u(k-1)=K e(k-1)+Kk-1e(j) +K e(k-1)-e(k-2)（2-4 ）j=0用式(2-3)减去式(2-4)，可得：u(k)=u(k-1)+ K e(k)-e(k-1)+K e(k)+K e(k)-2e(k-1)+e(k-2)（2-5 ）式(2-5)称为增量式 PID 控制算法。增量式控制算法的优点是误动作小，便于实现无扰动切换。当计算机出现故障时， 可以保持原值，比较容易通过加权处理获得比较好的控制

11、效果。但是由于其积分 截断效应大，有静态误差，溢出影响大。所以在选择时不可一概而论。5. 请结合自动控制系统的基本性能要求、各性能要求之间的关系或自动控制的8基本原理，从以下几个方面中选取一个主题谈谈本门课程学习对你的影响：（ 1） 自动控制理念对社会、健康、安全、法律或文化的影响；（2）对你未来的研究、 实践、应遵守的工程职业道德和规范、或应履行的责任的影响。自动控制系统的基本性能要求包括稳、准、快三个方面，此外还包括适应 性、经济性等。同一系统这三方面的性能是相互制约的。提高了系统的稳态精度， 可能使动态性能变坏；快速性的改善可能会引起系统的强烈振荡；平稳性好的系 统又可能很迟缓。自动控制的基本原理即是采用不同的系统校正方式，确定被控 对象的输入，以使输出尽可能符合给定的最佳要求，从而提高系统性能。法（控制器）的作用可以分为规范作用与社会（被控对