控制系统仿真与CAD-PID参数设定Matlab课程设计.doc

控制系统仿真与CAD控制系统仿真与CAD姓名： 李海峰 学号： 200810233010 专业： 测控081指导老师： 张 艳 一、 目的和任务配合控制系统仿真与CAD课程的理论教学，通过课程设计教学环节，使学生掌握当前流行的演算式MATLAB语言的基本知识，学会运用MATLAB语言进行控制系统仿真和辅助设计的基本技能，有效地提高学生实验动手能力。一、基本要求：1、利用MATLAB提供的基本工具，灵活地编制和开发程序，开创新的应用；2、熟练地掌握各种模型之间的转换，系统的时域、频域分析及根轨迹绘制；3、熟练运用SIMULINK对系统进行仿真；4、掌握PID控制器参数的设计。二、设计要求1、编制相应的程序，并绘制相应的曲线；2、对设计结果进行分析；3、撰写和打印设计报告（包括程序、结果分析、仿真结构框图、结果曲线）。三、设计课题二阶弹簧阻尼系统的PID控制器设计及其参数整定考虑弹簧阻尼系统如图1所示，其被控对象为二阶环节，传递函数G(S)如下，参数为M=1kg，b=2N.s/m，k=25N/m，F（S）=1。设计要求：（1） 控制器为P控制器时，改变比例带或比例系数大小，分析对系统性能的影响并绘制相应曲线。（2） 控制器为PI控制器时，改变积分时间常数大小，分析对系统性能的影响并绘制相应曲线。(当kp=50时，改变积分时间常数)（3） 设计PID控制器，选定合适的控制器参数，使阶跃响应曲线的超调量%20%,过渡过程时间ts2s, 并绘制相应曲线。图1 弹簧阻尼系统示意图 弹簧阻尼系统的微分方程和传递函数为：图2 闭环控制系统结构图附：P控制器的传递函数为：PI控制器的传递函数为：PID控制器的传递函数为：四、具体实现1) P调节器图3 P调剂器工作原理图1. 系统传递函数: 2. 运行程序:z=10:20:70;i=1;hold onfor kp=zsubplot(2,2,i);num=kp;den=1,2,25+kp;step(num,den); i=i+1; %依次为Kp等于10,30,50,70的阶跃响应图endtitle(Step Response);hold off图4 依次为Kp等于10,30,50,70的阶跃响应图系统分析:比例系数Kp对系统性能的影响：由图可以看出，随着Kp加大，曲线图波动变大，稳定性变差，准确性变好，系统响应时间加快。2) PI调节器图 5 PI调节器工作原理图1. 系统传递函数:2. 运行程序当比例放大系数Kp=20时kp=20;z=10:20:70;i=1;hold onfor ki=zsubplot(2,2,i); num=kp,ki;den=1,2,25+kp,ki; step(num,den);i=i+1; % 依次为Ki等于10,30,50,70的阶跃响应图endtitle(Step Response);hold off图 6 依次为Ki等于10,30,50,70的阶跃响应图当比例放大系数Kp=5时kp=5;z=10:20:70;i=1;hold onfor ki=zsubplot(2,2,i); num=kp,ki;den=1,2,25+kp,ki; step(num,den);i=i+1;% 依次为Ki等于10,30,50,70的阶跃响应图endtitle(Step Response);hold off图 6 依次为Ki等于10,30,50,70的阶跃响应图系统分析积分系数Kd对系统性能的影响:在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3个曲线图比较发现后，Ki变大,波形图略微变化,稳定性变差,准确性变好,响应时间稍微变快.3) PID调剂器图 7 PID调节器工作原理图经过多轮调试当Kp=20,ki=70,pd=8满足使阶跃响应曲线的超调量%20%,过渡过程时间ts0.02 break; endendTs=t(i)title(Step Response);xlabel(Time);ylabel(Amplitude)%计算超调量mpN=length(t);yss=y(N); %yss：稳态值ymax=max(y);mp=(ymax-yss)*100/yss%计算过渡过程时间Ts（2%）for i=N:-1:1 if abs