“直流伺服电机系统的PID校正”实验指导书

开放型实验“直流伺服电机系统的PID校正”实验指导书一、实验目的掌握PID控制及其校正在控制系统中的应用；熟悉直流伺服电机系统的PID校正理论；设计并验证PID校正环节。二、 实验要求根据给定的性能给定的性能指标，采用试凑法设计PID校正环节，校正未校正系统，并验证。设未校正系统的开环传递函数为GoC)=(0.0525+hrs+1)'设计PID校正环节，使系统的性能指标达到：调整时间小于2s,超调量不大于10%，稳态误差不大于1%。三、 实验设备GSMT2014型直流伺服系统控制平台；PC、MATLAB平台；四、 直流伺服系统控制平台简介实际GSMT2014型直流伺服系统控制平台如图1.1所示。该平台所使用的直流电机的额定电压为26V，额定功率为70W，最高转速为3000r/min，电机的编码器为1000p/r。图1.1GSMT2014型直流伺服系统控制平台GSTM2014实验平台是基于双电机高性能运动控制器GT400和智能伺服驱动器的直流伺服电机控制系统，由于GSMT2014平台增加了高性能的GT2014运动控制器，可以在MATLAB/simulink软件下完成实时控制实验掌握通过实验数据来建立系统的数学模型的实验方法，以及现代控制理论的状态反馈法。五、实验原理1．PID简介在工业生产过程控制中，常用的基本调节规律有：P,PI,PD和PID控制。加入PID控制后，控制系统如图1.2所示。图1.2加入PID控制器的系统框图P控制器控制器的输出uQ与误差作用信号心的关系为u宀计拉普拉斯变换量的形式为式中，K为比例增益。在相同的偏差下，K越大，输出也越大，因此ppK是衡量比例作用强弱的参数。工业上用比例度5来表示比例作用的强弱。比p例度5与K的关系为p5=丄100% (1-2)Kp无论是哪一种实际机构，也无论是哪一种形式的操作功率，比例控制器实质上是一种增益可调的放大器，比例度5越大，比例控制作用就越弱。。PD控制器微分控制器的输出只与偏差的变化速度有关，而与偏差存在与否无关。因此，纯粹的微分控制作用是无意义的，一般都将微分控制作用与比例控制结合起来使用。PD控制器的控制作用可以由下列方程定义：u(t)二Ke(t)+KTde(t) (1—3)p pddt其传递函数为U(s)=K(1+Ts) G-4)E(s) pd式中T为微分时间常数，速率控制作用超前于比例控制作用效果的时间间d隔。微分控制作用也称为速率控制。微分具有预测的优点，但是它也具有缺点，因为它放大了噪声信号，并且还可能在执行器中造成饱和效应。PI控制器积分调节作用：使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数T。T越小，积分作用就越强。积分控制作用总是滞后于偏差的ii存在，因此它不能有效地克服扰动的影响，难以使得控制系统稳定下来，引入积分作用会使系统容易振荡。因此积分控制作用很少单独使用，与比例控制一起使用，组成PI控制器，其控制规律为u(t)二Ke(t)+pJe(t)dt (1—5)pTi0G(s)= =K(1+丄) (1—6)c E(s) pTsiPID控制器比例控制作用、积分控制作用和微分控制作用的组合叫做比例-加-积分-加-微分控制作用，这种组合具有三种控制作用的优点，具有这种组合作用的控制器方程为u(t)二Ke(t)+ Je(t)dt+KTde(t) (1—7)pT pddti0即其传递函数为=K(1+丄+Ts) G—8)E(s) pTsdiPID参数的整定方法PID调节器参数的整定，是自动调节系统中相当重要的一个问题。在调节方案已经确定，仪表及调节阀等已经选定并已装好之后，调节对象的特性也就确定了，调节系统的品质就主要决定于调节器参数的整定。因此，调节器参数整定的任务，就是对已选定的调节系统，求得最好的调节质量时调节器的参数值，即所谓求取调节器的最佳值，具体讲就是确定最合适的比例度、积分时间和微分时间。经验试凑法在生产实践中所总结出来的方法，目前应用最为广泛，其步骤简述如下：1） 根据不同调节系统的特点，先把P、I、D各参数放在基本合适的数值上,这些数值是由大量实践经验总结得来的（按4：1衰减），其范围大致如表1-1所示。但也有特殊情况超出表列的范围，例如有的温度调节系统积分时间长达15分钟以上，有的流量系统的比例度可到200%左右等等。2） 看曲线，调参数，根据操作经验，看曲线的形状，直接在闭合的调节系统中逐步反复试凑，一直得到满意数据。表1-1各调节系统PID参数经验数据表调节系统比例度6（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）说明流量40-1000.1-1对象时间常数小，并有杂散扰动，6应大，Ti较短，不必用微分。压力30-700.4-3对象滞后一般不大，6略小，Ti略大，不用微分。液位20-801-56小,Ti较大，要求不咼时可不用积分，不用微分。温度20-603-100.5-3对象容量滞后较大。6小,Ti大，加微分作用。实践证明，在一定范围内适当地组合6和T的数值，可以得到同样衰减比的i曲线，就是说，6的减少，可以用增加T的办法来补偿，而基本上不影响调节过i程的质量。所以，这种情况，先确定T、T再确定6的顺序也是可以的。而且可id能更快些。如果曲线仍然不理想，可用T、T再加以适当调整。另外，将所在装id置控制系统的PID参数记录下来，是一个很好的做法。在不熟悉的生产过程中，应先进行手动调节。进入自动调节时，应确定比例度、积分时间、微分时间。当调节输出变化一点点而影响测量值有较大变化的这种场合，为考虑到系统的稳定性，应加大比例度，反之，则减小比例度。当调节器的输出变化时，在生产过程中希望测量值跟踪时间较短，则应该缩短积分时间，回复时间长的生产过程则应该有较长的微分时间。控制器控制规律的选择原则：1）对于一些对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，工艺要求又不太高的控制系统，可选用比例控制器，如贮罐的液面以及不太重要的蒸汽压力等控制系统。2）对象控制通道滞后较小，负荷变化不大，但不允许有余差的情况，可选用比例积分控制器，如流量、管道压力等控制系统往往采用PI控制器。3）当对象滞后较大，如温度、PH值等控制系统则需引入微分作用。一般在对象滞后较大，负荷变化也较大，控制质量又要求较高时，可选用比例（P）积分（I）微分（D）控制器。六、 实验过程1•未校正系统的Simulink仿真在MATLAB的运行环境下，建立如图1.3所示的开环实时控制系统模型。图1.3系统的仿真模型阶跃输入的模块“step"中设置Finalvalue=2000,记录阶跃响应曲线的输出，包括稳定值、超调量等。2•加入PID校正环节后，系统的Simulink仿真1） 从SimulinkLibrary中拖入一个“Subsytem"模块到图1.3中的模型中。2） 打开Subsytem模块，搭建PID子模块，如图1.4所示。图1.4PID子模块

3)PID子模块，嵌入到图1.3系统中，构建仿真环节，如图1.5所示。图1.5PID校正环节后的仿真图4)右键单击PID模块，选择“EditMask”项，按照图1.6所示设置封装模块属性。图1.6PID模块参数设置

5）右键单击PID模块，选择“BackgroundColor"位“Orange"，得到系统框图如图1.7所示。图1.7系统控制框图6）双击PID模块，设置参数如图1.8所示。图1.8PID参数设置7）运行程序，根据输出曲线确定系统性能是否满足要求。加入PID校正环节后的系统实时控制1） 打开直流伺服系统控制平台控制箱上的电源按钮。2） 在“MATLAB-CurrentFolder"中打开“PID_CorSys_Ctrl.mdl"，弹出如图1.9所示的实时控制界面。3） 设置PID参数，如图1.8所示的参数值。4） 设置阶跃信号的参数，以1000~2000为宜。5） 选择“Simulation-ConfigurationParameters-Solver"，设置参数如图图1.9加入PID图1.9加入PID校正的系统实时控制系统图1.10Solver参数设置6）点击“二”编译程序，编译成功后在MATLAB命令窗口中有提示信息如图1.11所示（如果没有修改控制界面结构，在编译一次后，不需再进行此步骤）。 ###Successful tionofEeal-TimeWorkshopbuildprocedureformodel'll»l图1.11MATLAB命令窗口的提示信息7） 点击"窜”，连接程序，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。

9）双击打开示波器，观察加入2000rpm的阶跃信号时直流伺服电机转