控制系统仿真大作业

1、河南工业大学控制系统仿真姓名：班级：学号：成绩：2016年06月15日设计题目基于串级PID控制技术的堆垛机控制器的设计设计内容和要求运用审级控制原理和积分分离的PID算法，建立堆垛机用级PID变频调速控制系统，实现堆垛机的快速精确定位控制，用MATLA防真技术和Simulink建立了堆垛机控制系统的仿真模型，并对其仿真结果进行分析。第一章概述与引言近些年来，随着科学技术的不断进步，物流行业在全世界蓬勃发展，自动化立体仓库的应用领域和范围得到了极大的扩展，自动化立体仓库报告主要章节的技术水平和仓储机械设备的动态性能也在不断的提高。自动化立体仓库堆垛机的速度控制控制技术是提高仓库作业效率的关键技

2、术，一直是当前工程优化领域研究的重点。例如，在堆垛机自动控制方面还采用了激光测距定位系统、闭环变频调速系统，Profibus总线控制等先进技术。在这些控制方案中，均以输出速度为理想值，而没有考虑速度在外部和内部因素的影响下将出现扰动现象。如果输出速度在扰动的作用下偏离理想值，得不到及时的校正，将产生堆垛机的蠕动和抖动现象，降低系统定位精度和定位效率，甚至造成定位错误等故障。堆垛机的运行高效率是与自动化立体仓库的作业调度密切相关的，所谓审级控制是在单回路PID控制的基础上发展起来的一种控制技术。用级控制针对上述情况，在原控制回路中，增加一个或几个控制副回路，用以控制可能引起被控量变化的其他因素，

3、从而有效地控制了被控对象的时滞特性，提高了系统动态响应的快速性。第二章各部分设计方案及工作原理一自动堆垛机控制器的系统图自动化立体仓库每个货物存放单元都对应精确的数据地址，从提高堆垛机作业系统的工作效率和可靠性的角度出发，利用审级控制原理和积分分离的PID算法，因此要求堆垛机每次存取货物必须快速运行而且停车要求平稳精准。为此，设计了如下图所示的基于PID的变频调速控制系统，来实现堆垛机的快速精准定位控制。给定速度JS7-300PLCrpid-hProfibusMOVIDRIVEaTd二工作原理堆垛机控制系统的硬件包括可编程控制器（PLC）、认址片和读址器、旋转编码器、变频器、D/A模块、高速可

4、逆计数器模块、运行机构等组成。其组成框图如下图所示。运行机构PLC得到目标位置坐标后，与自身现处位置坐标进行比较，利用位置PID算法，得出位置输出，然后利用速度PID算法控制速度输出。速度输出通过D/A模块连接到变频器，变频器调节交流电动机的转速，轴脉冲编码器安装在交流电动机轴上，编码器的输出脉冲接入PLC的高速可逆计数器模块。电动机的旋转通过传动机构转化为堆垛机的运动，高速计数器记录了电动机轴的脉冲数（电机旋转角度），一定时间内的脉冲数又反映了堆垛机的运行速度，实现速度信息的反馈。同时，运行机构上装有的认址器可以检测堆垛机是否运行到位，实现位置信息的反馈。三堆垛机串级控制系统模型的建立堆垛机

5、控制系统，其控制目的是使堆垛机快速准确定位，以提高仓库效率。假如堆垛机的运行速度是恒定的，堆垛机的位置坐标值就对应着一定的时间，这时为了实现堆垛机的准确定位，在堆垛机运行过程中只需测量它的实际坐标位置，并与位置目标设定值进行比较；利用二者的偏差以PID控制规律控制堆垛机进行定位即可。实际上，如果运行速度设置较大，满足了运行快速性，但在定位时由于惯性的影响产生抖动现象，造成定位控制滞后；如果运行速度设置较小，虽然避免了抖动现象，但不能满足运行快速性。为了满足堆垛机的快速准确定位，需要进行变速运行。但又为了避免系统外界和内部因素对输出速度的扰动作用。因此，在堆垛机位置控制主回路中增加了速度控制副回

6、路，构成用级PID控制结构，如图1所示。图1:堆垛机位置速度的审级控制结构审级计算机控制系统的典型结构，系统中有两个PID控制器，D2(S)称为调节器传递函数，包围D2(S)的内环称为副回路。D1(S)称为主调节器传递函数，包围Di(S)的外环称为主回路。主调节器的输出控制量U1作为副回路的给定量Ui。图中主控制器Di(S)和副控制器d2(s)分别表示位置调节器和速度调节器的传递函数。用级控制系统的计算顺序是先主回路D1(S),后副回路D2(S)0四控制系统的算法及各部分的传递函数根据图1,用PLC实现D1(S)和D2(S)时，PLC用级控制系统如图2所示，图中的D1(S)和D2(S)是由PL

7、C实现的PID数字控制器，H(S)是零阶保持器，T为采样周期。图2:PLCI级控制系统考虑到堆垛机实际的工作情况，采用积分分离的PID算法，即在被控制量开始跟踪时，取消积分作用，以避免因严重的积分饱和现象而造成的很大的超调和长时间的振荡；而当被控制量接近给定值时，才利用积分作用，以消除静差，提高控制精度。其计算顺序为：计算主回路的偏差e的；e(k)=i(k)-yi(k)计算主回路控制器D1的输出ui(k);Ui(k)=Ui(k-1)+Aui(k)根据增量式得：当lel(k)l.时:Ui=Kpiei(k)-ei(k-i)Kdi修(k)-2ei(k-i)ei(k-2)ei(k)色(k)=Kpib(

8、k)e(ki)+Kiie(k)+KDie(k)2e(ki)+e(k2)式中：9为位置比例增益；Ki=5工为位置积分系数；KDKpiTD3T为位置微分系数。计算副回路的偏差e2(k)；e2(k)=r2(k)-y2(k)计算副回路控制器D2(z)的输出v2(k)；v2(k)=V2(k-。+山的根据速度式得：当辰(k)l之，时:KP2KD2_&=-7fPe2(k)-e2(k-i)de2(k)-2牝*-i)e2(k-2)当b(k)|君时:+年除*)2e2(ki)+e2(k2)勾2(k)=中e：(k)-e2(k-i)十华(k)Kp2式中：T为速度比例增益；Kd2=K_TT2T为速度微分系数。K|

9、2.二KT*12为速度积分系数;五整定T和Kp、Ti、Td(1)选择一个足够短的采样周期Tmin；其值要小于对象纯滞后时间的0.1倍。(2)用上述的Tmin,采样模拟调节器的临界比例度法，求出临界比例度6K及临界振荡周期限。具体做法是仅让DDC作纯比例控制，逐渐缩小比例度，最终得到一个等幅振荡，此时的比例度即为6K,振荡周期即为限。(3)查表1,求得T和Kp、TI、TD的值。(4)按求得的参数整定运行，在运行中观察控制效果，用探索法进步寻求比较满意的值0表1：按扩充临界比例度法整定T和KP、TI、TD的经验数值表控制度控制规律TKpTITDPI0.45&0.83TkPID0.60a0.50TK0.125TKZiegler-Nichols整定式根轨迹曲线:ISystem:gGain:1.74e-08Pole:-0.1-0.000186iDamping:1Overshoot(%):0Frequency(rad/s):0.1Jiji-0.1-0.08-0.06-0.04-0.020RealAxis(seconds-1)RootLocus0402O24oO-,sdnoceerepkAyangml1-0.02-0.12六控制系统的流程图及响应曲线控制系统流程图：审级控制的阶跃响应:附：参考文献：11胡寿松.自动控制原理简