典型二阶控制系统的分析与综合设计

北方民族大学控制系统仿真与设计综合实训控制系统仿真与设计综合实训任务书第一部分总则课程名称：控制系统仿真与设计综合实训课程代码：z3507507年级专业：2019级自动化学时学分：16学时，1学分成绩占比：报告50%+答辩50%指导教师：刘芳、潘俊涛、张巍巍冯翼一综合实训的目的1、培养学生查阅文献、发现问题、解决问题的能力；2、提高学生理论联系实际的能力；3、培养学生对自动控制系统的分析与设计能力；4、培养学生对经典控制理论的系统性认知能力以及灵活运用相关理论解决实际工程问题的能力。第三部分设计任务及要求题目1Ｉ型三阶系统的分析与综合设计一、设计目的1、通过综合实训熟悉频域法分析系统的方法原理；2、通过综合实训掌握滞后—超前校正作用与原理三、具体要求1、要求分别用手工设计方法和计算机编程设计方法设计校正装置，可以是多个；根据设计结果，在计算机上进行仿真验证；利用线性组件（运算放大器、电阻、电容等）构成各种环节。实现校正前、后系统，并得到校正前后系统的阶跃响应。由上述结果，你可以得出怎样的结论。二、设计任务题目7基于ZN法的PID校正分析与综合设计已知轧钢车间加热炉的传递函数为，其温度传感器与变送器的传递函数为

，试用Ziegler-Nichols整定法计算P、PI、PID控制器的参数，并进行阶跃响应的仿真。综合实训报告中要求写清楚计算分析的过程，列出MATLAB程序和MATLAB输出。由上述结果，你可以得出怎样的结论。

引言1校正前系统性能分析22.1稳态性能22.2动态性能8校准装置设计93.1控制系统类型分类93.2系统建模113.3频域法进行校正13校正后系统性能分析144.1运用matlab进行时域仿真144.3时域性能结果15设计总结及心得体会18五、参考文献19

摘要Ziegler-Nichols

整定方法

Ziegler一Nichols

法是一种基于频域设计

PID控制器的方法。

基于频域的参数整定是需要参考模型的，首先需要辨识出一个能较好反映被控对象频域特性的二阶模型。根据这样的模型，结合给定的性能指标可推导出公式，而后用于PID参数的整定。

基于频域的设计方法在一定样度上回避了精确的系统建模，而且有较为明确的物理意义，比常规的PID控制可适应的场合更多。

目前已经有一些基于频域设计PID控制器的方法，如Ziegler一Nichols法，Cohen一Coon法等。Ziegler一Nichols法是最常用的整定PID参数的方法。

Ziegler-Nichols

法是根据给定对象的瞬态响应特性来确定

PID控制器的参数。2.设计意义（1）培养学生查阅文献、发现问题、解决问题的能力；（2）提高学生理论联系实际的能力；（3）培养学生对自动控制系统的分析与设计能力；（4）培养学生对经典控制理论的系统性认知能力以及灵活运用相关理论解决实际工程问题的能力。（5）通过课程设计熟悉温度控制系统的工作原理；（6）通过课程设计掌握温度控制系统的分析方法；（7）通过课程设计掌握控制器的设计方法；（8）通过在实际控制系统中校正设计的运用，理解系统校正在实际工程中的意义。

3.校正前的系统分析系统输出图像曲线4.校正后系统性能分析4.1系统阶跃相应曲线图4．2利用方法二将比例控制Kp值由零增大到系统的输出首次出现持续的等幅震荡，此时对应的Kp值为临界增益Kc,振荡周期Tc，此时Ti=∝，Td=04.3校正装置选定利用ZN法经验公式二计算5.1校正后系统传递函数试第一次调节出等幅震荡，图像如下再次尝试调节出等幅震荡利用ZN法二计算出PI调节器为P=1.39I=0.0084图像如下利用ZN法计算出，PID调节器为P=1.625I=0.011D=36.756.MATLAB仿真实验及结果6.1MATLAB函数ziegler()function[Gc,Kp,Ti,Td,H]=ziegler(key,vars)Ti=[];Td=[];H=[];iflength(vars)==4K=vars(1);L=vars(2);T=vars(3);N=vars(4);a=K*L/T;ifkey==1Kp=1/a;elseifkey==2Kp=0.9/a;Ti=3.33*L;elseifkey==3Kp=1.2/a;Ti=2*L;Td=L/2;endelseiflength(vars)==5K=vars(1);Tc=vars(2);N=vars(3);ifkey==1Kp=0.5*K;elseifkey==2Kp=0.4*K;Ti=0.8*Tc;elseifkey==3Kp=0.6*K;Ti=0.5*Tc;Td=0.12*Tc;endelseiflength(vars)==5K=vars(1);Tc=vars(2);rb=vars(3);pb=pi*vars(4)/180;N=vars(5);Kp=K*rb*cos(pb);ifkey==2Ti=-Tc/(2*pi*tan(pb));elseifkey==3Ti=Tc*(1+sin(pb))/(pi*cos(pb));Td=Ti/4;endendswitchkeycase1Gc=Kp;case2Gc=tf(Kp*[Ti,1],[Ti,0]);case3nn=[Kp*Ti*Td*(N+1)/N,Kp*(Ti+Td/N),Kp];dd=Ti*[Td/N,1,0];Gc=tf(nn,dd);end6.2MATLAB程序及曲线图k=1.0593;T=110;L=100;n1=[k];d1=[T1];G1=tf(n1,d1);[np,dp]=pade(L,2);Gp=tf(np,dp);[Gc1,Kp1]=ziegler(1,[k,L,T,1]);Gc1[Gc2,Kp2,Ti2]=ziegler(2,[k,L,T,1]);Gc2[Gc3,Kp3,Ti3,Td3]=ziegler(3,[k,L,T,1]);Gc3G_c1=feedback(G1*Gc1,Gp);step(G_c1);holdonG_c2=feedback(G1*Gc2,Gp);step(G_c2);G_c3=feedback(G1*Gc3,Gp);step(G_c3);Gc1=1.3333359.6s+1.2Gc2=299.7s25920s^2+360s+1.6Gc3=8100s^2+180s分析：由于该控制系统是比例积分微分控制参数决定工作状态，

从整个仿真试验过程可以看出，在系统中加入了PID控制器，可以明显的改善系统性能特性，提高产品的控制品质。虽然也会有震荡现象，但是震荡时间短，系统可以更快速进入稳定。心得体会通过这次的自动控制理论课程设计，我们更多的是认识到自己的不足之处比较多。例如这款APP，我们是第一次接触，进行模拟仿真的时候，我们都得从这个软件的基础开始学习。程序代码也得从最基础的开始学习。很多基础的问题都得请教刘老师，我们甚至迷茫到连课程设计要我们做什么都不知道，该怎样做更是满脸迷惑。最后从指导老师那里我们才知道我们应该从哪里入手，理清了大概思路，我们才知道自己应该做哪些步骤，这样做。我们在编写程序的敌后就遇到了一个大麻烦。我们所参考的书本资料和网上的资料分析的例题都是一节微分环节加一个之后环节，而我们遇到的是两个惯性环节加一个滞后环节。导致在求时间τ上面费了很大劲。通过这次的课程设计我们意识到依据我们自身的知识和能力，想要完成一个设计是多么的艰难。需要私下掌握的东西太多了，学习的东西更多。只有将理论更好的运用到实际生活中，我们才能真正的认识到自己的能力，才能真正了解我们是否真正的掌握了知识，我更相信实践是检验真理的唯一标准。在以后的学习中，我们也将更加的完备自身的不足，提升自己的能力。二、课程设计结论

基于MATLAB的SIMULINK仿真环境下的PID参数整定法，在

simulink仿真环境下进行PID仿真试验，可以随时修改PID的参数，对系统的运行情况进行同步仿真，减少了在现实中的试验时间，节省了财力和人力的投入，并且极大地缩短了试验周期，对提高产品的过程质量具有相当实际的意义。

课程设计过程中的收获：更加了解了仿真的重要性与实用性。也

更加深入了解了控制理论的重要性，让我们更好了解PID控制器的3个参数的