自动控制课程设计

1、自动控制课程设计2015-2016第一学期姓名： 班级： 学号： 指导老师： 成绩; 日期 ：2016年1月5日目 录一、设计的目的和意义二、设计题目和设计要求三、建立数学模型四、PID控制及其MATLAB实现4.1、PID控制原理4.2、PID的时域分析4.3、PID的频域分析4.4、加入干扰后的系统五、设计总结及心得体会六、参考文献一、设计的目的和意义1）、理论联系实际，加强对自动控制理论的理解。锻炼学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。2）、熟悉并掌握MATLAB软件在控制系统设计当中的应用（能熟练进行系统建模、性能分析、模型仿真等操作）。3）、培养创新意识，增进对科学技术的兴趣。4）

2、、培养严肃认真的工作态度。二、设计题目和设计要求本次课程设计的题目是空调温度系统的设计，空调主要用来控制温度，目前广泛的应用于人们生活当中，因此设计一个高精度的温度控制系统有着极其重要的应用价值。该次设计的要求是运用PID进行设计并比较，同时要使用MATLAB和SIMULINK进行建模，仿真和设计计算，对系统进行时域和频域的分析，最后探讨设计是否合格达到要求。三、建立数学模型本次设计以空调温度系统为设计对象,由于温度控制系统都是典型的大延迟系统，为了简化分析，可以将控制对象的特性看成是带有纯滞后的一阶惯性环节，故可以采用比例环节和一阶惯性11环节以及一个延迟环节来近似，那么该系统被控对象空调房

3、间的传递函数为（其中取T=5，K=3，=2）该系统的原理框图如下：四、PID控制及其MABTLAB实现4.1、PID控制原理：PID控制具有结构简单、容易实现、控制精度高且具有较强的鲁棒性等特点。加入比例环节可以使系统动作灵敏，速度加快，可以减小稳态误差，加入积分环节可以消除稳态误差，提高控制精度，加入微分环节可以改善系统的动态性能。 模拟PID控制器的微分方程为12对上面的式子去拉氏变换整理后有PID控制器的传递函数为：当采样周期足够小时有U(k)=KPe(k)+ =KPe(k)+KI两边取Z变换有 U（z）=KPE(z)+整理后得PID控制器的z传递函数为D（z）= = =其中 根据ZN经

4、验公式 KP= ; TI=; 可以得到 ; ; 4.2 、PID的时域分析：利用Simulink画出该系统在单位阶跃响应下的PID控制结构图如下：3示波器得到的响应曲线如下:根据已知的数据可以用MATLAB画出该系统在单位阶跃信号下的响应曲线如下：其中上图为不加PID控制器的响应曲线，下图为加了PID控制器的响应曲线：4MATLAB程序如下：num=3>> den=5 1>> tao=2>> Gs=tf(num,den,'inputdelay',tao)>> sys=feedback(Gs,1)>> step(sys)

5、加了PID控制器的MATLAB程序如下：>> num=3;>> den=5 1;>> tao=2;>> Gs=tf(num,den,'inputdelay',tao)>> Kp=1;>> Ki=0.25;>> Kd=1>> Ds=tf(Kd Kp Ki,1 0)>> sys=feedback(Ds*Gs,1)>> step(sys) 从以上的两个图像中可以看出该系统在加了PID控制器以后的调节时间减少了，级系统比原先的系统先达到稳定，改善了系统的稳定性，唯一的

6、不足是增加了系统的超调量，但是从整体来看杜原来的系统性能有所改良。54.3、 PID的频域分析1 2上图1的bode图是没有加PID控制器频率特性曲线，2的图形是加了PID控制器的频率特性曲线，该两个图形中可以看出系统在加了PID控制器以后幅频特性减小了，相频特性增加了但是系统改变前后都是稳定的。下图1的是没有加PID控制器的时域曲线图，2图是加了PID控制器的是与曲线图可以确定该系统是稳定的。12用MATLAB画出频域特性曲线和时域特性曲线的程序如下：61）没有加PID控制器的程序：k=3>> den=5 1>> G=tf(k,den,'inputdelay&

7、#39;,2)>> W=logspace(0,2,5)>> margin(G)>> gm,pm,gcw,pcw=margin(G)>> nyquist(G)2）加了PID控制器的程序：num=3 3 0.75>> den=5 1 0>> G=tf(num,den,'inputdelay',2)>> W=logspace(0,2,5)>> margin(G)>> gm,pm,gcw,pcw=margin(G)>> nyquist(G)4.4、 加了干扰后系统的性

8、能7根据结构图得到响应曲线为：从图中可以看出与之前没有加干扰信号比较，加了干扰信号后系统的超调量增加了，调节时间也增加了，是系统更加趋于不稳定，对系统的性能产生了不好的影响。七、设计总结和心得体会本文首先从空调的工作原理出发，进而介绍控制系统的优缺点，导出PID控制算法，从而引出我们PID控制算法的理解和仿真具有重大的意义，介绍了这两种算法的原理和结构以及应用的场合，通过网上学习和查阅资料，定义了系统的传递函数，并且在相同参数和传递函数的情况下对这两种算法进行了比较，从整体来看，本次设计基本上是达到了设计的要求，但是也存在一些问题，比如在使用MATLAB进行程序设计和用Simulink进行仿真

9、的时候不懂得如何调节参数和调用函数，但是经过多次的探讨最后终于解决了问题，此外在对传递函数进行参数的设定的时候也存在一些问题，比如说究竟将时间常数和延迟环节设置为多大最好，也便于设计和仿真，经过多数据的整合和运算最后得到了理想的数据参数。其次本次设计好应用到大量PID控制的知识，有一次加深了我们对PID的理解和应用。另外本次设计让我们对和本次设计相关的软件熟悉了一遍，比如MATLAB以及Simulink以及和垫片及有关的相关芯片和电路以及计算机实现等问题，让我们把所学19的应用到了实践中去，在这个设计过程中，是我们学到了不少新的知识，在几个星期的学习实践中，学到的东西比以往在书本上面看到的知识来的更加深刻和具体，同时也锻炼了我们的实践能力和应变能力以及查阅资料的能力，当然在设计过程中也遇到了不少的问题，经过同学老师的帮助最终也成解决了问题。在这里我要感谢知道我的老师和帮助我的同学，从设计开始到结束，如果没有老师的指导以及同学们的帮助，我相信我不会这么成功的完成了自己的设计，总而言之，只有认真准备了就能顺利的完