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 院： 汽车工程学院 班 级： 运英1301 学生姓名： 盛鑫 学 号： 201373028 大连理工大学Dalian University of Technology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

2、例分析限幅的必要性。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。13参加人员姓名班级学号主要负责模块得分盛鑫运英1302201373028全部1. 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('s

3、'); 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; G1=K

4、/(s+K); G2=13.33/s; G12=feedback(G1*G2,1); G3=26347/(s+599); G4=5.2; G=G12*G3*G4 for Kp=4:8 Gc=feedback(Kp*G,0.0118); step(Gc); hold on; end legend('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Kp的继续

5、增加，会使系统不稳定。 Kp继续增大系统响应(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=28 G1=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=0.05:0.02:0.09 PIGc=tf(Kp*Ti 1,Ti 0);%PI控制器传递函数 Gc=feedback(PIGc*G,0.0118); step(Gc); hold on;endle

6、gend('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线：s=tf('s'); K=

7、28 G1=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 0.015 PIDGc=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')hold off; Td调节对单位阶跃响应的

8、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，用于对比的Simulink框架如图所示。下图为Scope2显示

9、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

10、出提供增量的PID控制算式。根据递推原理可得: （2-4）用式(2-3)减去式(2-4)，可得： （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（被控对象）作