CS_10控制系统计算机仿真应用实例

1、第第10章章本章主要教学内容本章主要教学内容熟悉计算机仿真在实际系统设计中的基本应用熟悉计算机仿真在实际系统设计中的基本应用掌握利用掌握利用MATLAB和和Simulink进行系统仿真的进行系统仿真的基本方法基本方法控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章本章教学目的及要求本章教学目的及要求掌握控制系统性能的分析和仿真处理过程掌握控制系统性能的分析和仿真处理过程熟练运用熟练运用MATLAB和和Simulink对系统仿真进对系统仿真进行编程行编程控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章 10.1 问题的描述问题的描述 如图10-1所示的汽车

2、运动控制系统， 为了方便系统数学模型的建立和转换，我们设定该系统中汽车车轮的转动惯量可以忽略不计，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与汽车的运动速度成正比，摩擦阻力的方向与汽车运动的方向相反，这样，可将图10-1所示的汽车运动控制系统简化为一个简单的质量阻尼系统。控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章图10-1 汽车运动示意图 ubvmvv 控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章 根据牛顿运动定律，质量阻尼系统的动态数学模型可表示为：控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例vyubvvm 为了分析方便，我们对系统的参数进行

3、设定：汽车质量m=1000kg，比例系数b=50 Ns/m，汽车的驱动力u=500 N。第第10章章 根据控制系统的设计要求，当汽车的驱动力为500N时，汽车将在5秒内达到10m/s的最大速度。由于该系统为简单的运动控制系统，因此将系统设计成10的最大超调量和2的稳态误差。这样，该汽车运动控制 系统的性能指标可以设定为：上升时间：5s；最大超调量：10；稳态误差：kp=100;m=1000;b=50;u=500;num=kp;den=m b+kp;t0:0.1:20;step(u*num,den,t); 得到如图10-3所示的系统阶跃响应。从图中可看到，系统的稳态值太高，远远超出了设计要求，而

4、且系统的稳态误差和上升时间也不能满足设计要求。 控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章图10-3 比例控制器作用下的汽车阶跃响应（u=500）控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例02468101214161820050100150200250300350Step ResponseTime (seconds)Amplitude第第10章章 为此，可减小汽车的驱动力为10N，重新进行仿真，得到如图10-4所示的仿真结果。 从图10-4可以看到，所设计的比例控制器仍不能满足系统的稳态误差和上升时间的设计要求。我们可以通过提高控制器的比例增益系数来改善

5、系统的输出。 例如，将比例增益系数Kp从100提高到10000重新计算该系统的阶跃响应，结果如图10-5所示。控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章图10-4 比例控制器作用下的汽车阶跃响应（u=10）控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例0246810121416182001234567Step ResponseTime (seconds)Amplitude第第10章章图10-5 u=10000时控制系统阶跃响应控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例0246810121416182001234567891011Step Res

6、ponseTime (seconds)Amplitude第第10章章（2）比例积分（PI）控制器的设计 采用比例积分控制的系统闭环传递函数可表示为：IPIPKsKbmsKsKsUsY)()()( 增加积分环节的目的是减小系统的稳态误差，假设比例系数Kp=600，积分系数KI=1，编写MATLAB程序代码如下：kp=600;ki=1;m=1000;b=50;u=10;num=kp ki;den=m b+kp ki;t=0:0.1:20;step(u*num,den,t); 运行上述程序后可以得到如图10-6所示的系统阶跃响应曲线。控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章

7、章图10-6 KP600，KI =1时控制系统的阶跃响应曲线控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例02468101214161820012345678910Step ResponseTime (seconds)Amplitude第第10章章 我们可以调节控制器的比例和积分系数来满足系统的性能要求。 选择比例系数KP800，积分系数KI =40时，可以得到如图10-7所示的系统阶跃响应曲线。 从中可以看出，此时的控制系统已经能够满足系统要求达到的性能指标设计要求。控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章图10-7 KP800，KI =40时控制系统的

8、阶跃响应曲线控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例0246810121416182001234567891011Step ResponseTime (seconds)Amplitude第第10章章（3）比例积分微分（PID）控制器的设计采用PID控制的系统闭环传递函数为：IPDIPdKsKbsKmKsKsKsUsY)()()()()(2 假设该控制器的比例系数KP=1，积分系数KI =1，微分系数KD=1，编写MATLAB程序代码如下：kp=1;ki=1;kd=1;m=1000;b=50;u=10;num=kd kp ki;den=m+kd b+kp ki;t=0:0.1:4

9、0;step(u*num,den,t);控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章 运行上述程序，并且调整PID控制器的控制参数，直到控制器满足系统设计的性能指标要求为止。 我们选择KP=600，KI =50，KD=10时系统的阶跃响应曲线如图10-8所示。 从图中可以看出该系统能够满足设计的总体性能要求。控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章图10-8 KP=600，KI =50，KD=10时控制系统的阶跃响应曲线控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例0510152025303540024681012Step Resp

10、onseTime (seconds)Amplitude第第10章章10.3.2 利用Simulink进行仿真设计 图10-1所示的汽车运动控制系统也可以利用Simulink进行仿真设计。1求系统的开环阶跃响应 利用Simulink建立系统阶跃响应模型，如图10-9所示。双击Step模块，设置模块属性：跳变时间为0；初始值为0；终止值为10；采样时间为0。打击按钮开始仿真，双击Scope模块，可以看到如图10-10所示的系统阶跃响应曲线，该阶跃响应曲线与图10-2所示的系统阶跃响应曲线完全相同。控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章 图10-9 开环控制系统的阶跃响

11、应模型控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章图10-10 Simulink仿真的开环控制系统阶跃响应控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章2PID控制器的设计 在Simulink的模型窗口建立一个包含PID控制器的闭环系统阶跃响应模型，如下图10-11所示。控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章 分别双击Kp、Ki、Kd模块设定比例、积分、微分系数，点击按钮开始仿真，双击Scope模块，观察系统的阶跃响应曲线，直到满足要求为止。 图10-12所示为KP=600，KI=50，KD=11时系统的阶跃响应曲线，

12、与图10-8所示的系统阶跃响应曲线完全相同。控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章图10-12 Simulink仿真的汽车运动PID控制系统阶跃响应控制系统的计算机仿真应用实例控制系统的计算机仿真应用实例第第10章章 水电机组在电网中的作用，主要担负发电、调相、调峰、调频以及事故备用任务。这些机组的运行特点是开、停频繁，要求自动化程度高，以满足电网的需要。因此对机组控制系统的要求较高，控制系统性能的好坏，直接影响机组能否正常稳定运行。同时由于科学技术的进步，广泛采用新技术、新材料、新工艺，对机组进行了技术改造，运行可靠性也有了很大的提高。使得对机组控制系统乃至整个

13、系统开展状态检修成为可能。 水轮机调速系统主要由压力引水系统、调速器电气部分、液压随动系统、水轮机、发电机、电网组成如下图所示。它是一个集水、机、电一体的综合控制系统。 水轮机调速系统计算机仿真水轮机调速系统计算机仿真第第10章章水轮机调速系统计算机仿真水轮机调速系统计算机仿真 压力引水系统 断路器 水轮机 发电机 电网 液压随 动系统 调速器 油开关 给定 有功 网频 压力油系统 机组 频率 水轮机调速系统 第第10章章 调速器电气部分：主要实现系统的控制规律和控制算法，针对不同的过程有不同的控制策略。主要体现在不同的控制规律和不同的控制参数上，控制参数主要包含比例系数(Kp)、积分系数(K

14、i)、微分系数(Kd)、永态转差系数(bp)。 液压随动系统：实现电气信号向机械液压信号的转变和放大。主要包括电气-液压信号转换装置、液压放大、(导叶操作)机械手臂和位置反馈等部分，如下页图所示。水轮机：将水能转换为机械能。发电机：将机械能转换为电能电网：主要是提供其他用电部门需要的能量。水轮机调速系统计算机仿真水轮机调速系统计算机仿真第第10章章水轮机调速系统计算机仿真水轮机调速系统计算机仿真 控制油路过滤器 机械液压过速阀 低压关闭阀 压力开关 启/停机阀 紧急关机阀 电液伺服阀 控制关闭阀 快速关机控制阀 主配压阀 主接力器 机械手臂 液压随动系统结构示意图 压压力力油油 第第10章章

15、液压随动系统分析 就液压随动系统而言，它主要由电气液压信号转换装置、液压放大、（导叶操作）机械手臂和位置反馈等部分组成。其结构有多种形式。在此以清江隔河岩水电站1号机组的液压随动系统为例，来分析其工作原理和故障情况。 电液伺服阀是将电气信号转换成具有一定操作能力的机械液压信号，它是液压随动系统的关键部件，一般情况下以调速系统中电液伺服阀出现的故障频率最高。 电液伺服阀作为将电气信号转变为机械液压信号的装置，它有很多种类型，其中清江隔河岩水电站1号机组使用的是一种双面喷嘴挡板式电液转换器。其输出为具有一定压力的流量信号，它具有良好的动态性 能，不需要通过杠杆、引导阀等直接控制主配压阀的移动，进而

16、控制进入主接力器的流量。水轮机调速系统计算机仿真水轮机调速系统计算机仿真第第10章章 电液伺服阀是一个带有死区、饱和、间隙的一阶惯性环节。Tdd电液转换器的时间常数，一般情况下Tdd很小，可以忽略不计，故可以看成一个比例环节。 主配压阀用来直接控制导叶接力器。其是一个一阶惯性环节，包含一个死区环节。 主接力器作为驱动机构，它将调速器输出的控制信号直接作用在水轮机的导叶上，控制导叶的开与关。其是一个积分环节。第第10章章 电液伺服阀建模 电液转换器是将电气信号转换为阀芯的位移信号，进而转化为有一定压力的流量信号。它是调速系统中较为薄弱的环节，故障萌发率较高，故障模式如上表所示。在建模时对系统进行

17、适当地简化。主要包含比例环节、死区、饱和、间隙和故障切换与设置函数等环节。其中可以设置故障类型，故障时间。输入为PID控制器输出的控制信号，输出为有一定压力的流量信号。其封装如下：(a) 内部模型(b) 外部封装(c) 模型外部特性图 9 电液转换器模型及其外部特性水轮机调速系统计算机仿真水轮机调速系统计算机仿真第第10章章(a) 内部模型(b) 外部封装(c) 模型外部特性图 9 电液转换器模型及其外部特性第第10章章 主配压阀 主配压阀将阀芯的位移信号转换为过流孔的流量信号，有一定的压力，主要包含比例环节、死区、饱和、间隙和故障切换与设置函数等环节。其中可以设置故障类型，故障时间。输入信号

18、简化为电液转换器的输出开口的大小即阀芯的位移信号。输出为有一定压力的流量信号，用于驱动主接力器。其封装如下：(a) 内部模型(b) 外部封装(c) 模型外部特性图 10 主配压阀模型及其外部特性 水轮机调速系统计算机仿真水轮机调速系统计算机仿真第第10章章(a) 内部模型(b) 外部封装(c) 模型外部特性图 10 主配压阀模型及其外部特性第第10章章 主接力器 主接力器是将压力油信号转换为机械手臂的位移信号，用于驱动导叶的开关。主要包含积分环节、饱和、间隙和故障切换与设置函数等环节。其中可以设置故障类型，故障时间。输入信号简化为主配压阀输出的压力油。输出为机械手臂的位移信号，用于驱动导叶的开

19、关。其封装如下: (a) 内部模型(b) 外部封装(c) 模型外部特性图 11 主接力器模型及其外部特性水轮机调速系统计算机仿真水轮机调速系统计算机仿真第第10章章(a) 内部模型(b) 外部封装(c) 模型外部特性图 11 主接力器模型及其外部特性第第10章章理想水轮机模型 水轮机是将水的势能转换为主轴的转动力矩，它受控于水头和导叶的开度。其封装如下：水轮机调速系统计算机仿真水轮机调速系统计算机仿真(a) 内部模型(b) 外部封装(c) 模型外部特性图 12 水轮机模型及其外部特性第第10章章发电机模型 发电机是将机械能转换为电能。 (a) 内部模型(b) 外部封装(c) 模型外部特性图 1

20、3 发电机模型及其外部特性水轮机调速系统计算机仿真水轮机调速系统计算机仿真(a) 内部模型(b) 外部封装(c) 模型外部特性图 13 发电机模型及其外部特性第第10章章PID控制器 PID控制器是实现机组控制规律的主要部分。其模型如下：水轮机调速系统计算机仿真水轮机调速系统计算机仿真第第10章章(a) 内部模型(b) 外部封装(c) 模型外部特性图 14 PID控制器模型及其外部特性第第10章章液压随动系统 液压随动系统主要由电液转换器、主配压阀和主接力器组成。其封装如下：水轮机调速系统计算机仿真水轮机调速系统计算机仿真(a) 内部模型(b) 外部封装图 15 电液转换器模型及其外部特性(a) 内部模型(b) 外部封装图 15 电液