《P和PI控制参数设计》课程设计教学文案_第1页
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文档简介

1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。P和PI控制参数设计课程设计目录TOCo1-3huHYPERLINKl_Toc32719课程设计任务书PAGEREF_Toc327191HYPERLINKl_Toc8991摘要PAGEREF_Toc89913HYPERLINKl_Toc301791.P和PI控制原理PAGEREF_Toc301794HYPERLINKl_Toc46561.1比例(P)控制PAGEREF_Toc46564HYPERLINKl_Toc244351.2比例-积分(PI)控制PAGEREF_Toc244355HYPERLINKl

2、_Toc126342.P和PI控制参数设计PAGEREF_Toc126346HYPERLINKl_Toc281602.1原系统分析PAGEREF_Toc281606HYPERLINKl_Toc170652.1.1初始条件PAGEREF_Toc170656HYPERLINKl_Toc179602.1.2原系统稳定性分析PAGEREF_Toc179606HYPERLINKl_Toc113132.2P控制参数设计PAGEREF_Toc113137HYPERLINKl_Toc306062.2.1加入P控制器后系统稳定性分析PAGEREF_Toc306067HYPERLINKl_Toc253402.2.

3、2加入P控制器后系统动态性能指标计算PAGEREF_Toc253409HYPERLINKl_Toc98082.3PI控制参数设计PAGEREF_Toc980815HYPERLINKl_Toc166172.3.1加入PI控制器后系统稳定性分析PAGEREF_Toc1661715HYPERLINKl_Toc89782.3.2加入PI控制器后系统动态性能指标计算PAGEREF_Toc897816HYPERLINKl_Toc19633.P和PI控制特点的比较PAGEREF_Toc196323HYPERLINKl_Toc55863.1比例(P)控制器:PAGEREF_Toc558623HYPERLINK

4、l_Toc245743.2比例-积分(PI)控制器:PAGEREF_Toc2457424HYPERLINKl_Toc272024.心得体会PAGEREF_Toc2720225HYPERLINKl_Toc320085.参考文献PAGEREF_Toc3200826课程设计任务书学生姓名:专业班级:自动化1002班指导教师:谭思云工作单位:自动化学院题目:P和PI控制参数设计初始条件:反馈系统方框图如下图所示。(比例P控制律),(比例积分PI控制律),RYe+-要求完成的主要任务:(包括课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等具体要求)当D(s)=D1(s),G(s)=G1(s)时,确定使反馈系

5、统保持稳定的比例增益K的范围。计算系统在单位阶跃信号输入作用下的误差常数和稳态误差;满足(1)的条件下,取三个不同的K值(其中须包括临界K值),计算不同K值下系统闭环特征根,特征根可用MATLAB中的roots命令求取;用Matlab画出(2)中三个增益对应的单位阶跃输入的响应曲线,通过响应曲线分析不同K值时系统的动态性能指标;当D(s)=D2(s),G(s)=G2(s)时,确定使系统稳定K和KI的范围,并画出稳定时的允许区域。计算系统在单位阶跃信号输入作用下的误差常数和稳态误差;满足(4)的条件下,取三个不同的K和KI值,计算不同K和KI值下系统闭环特征根,特征根可用MATLAB中的root

6、s命令求取。画出其中一组值对应的波特图并计算相角裕度;用Matlab画出(5)中三个增益对应的单位阶跃输入的响应曲线,通过响应曲线分析不同K和KI值时系统的动态性能指标;比较P和PI控制的特点;对上述任务写出完整的课程设计说明书,说明书中必须写清楚分析计算的过程,并包含Matlab源程序或Simulink仿真模型,说明书的格式按照教务处标准书写。时间安排:课程设计任务书的布置,讲解(半天)根据任务书的要求进行设计构思。(半天)熟悉MATLAB中的相关工具(一天)系统设计与仿真分析。(三天)撰写说明书。(二天)课程设计答辩(半天)指导教师签名:年月日系主任(或责任教师)签名:年月日摘要在自动控制

7、系统中,输出量是最重要的参数之一,因此对被控系统的输出量要求严格。它可以要求保持为某一恒定值,如温度,压力或飞行航迹等;也可以跟随输入量变化。而控制装置则是对被控对象施加调节控制的机构,它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制,但最基本的一种是基于HYPERLINK/view/628148.htm反馈控制原理的反馈控制系统。对于比例(P)控制,在串联校正中,加大比例系数可以提高系统的开环增益,减小系统的稳态误差,从而提高系统的控制精度,但也会降低系统的相对稳定性。比例积分(PI)控制器相当于在系统中加入了一个位于原点的开环极点,从而提高了系统型别,改善了其稳态性能。同时也增加了一个位于S平

8、面左半平面的开环零点,减小了阻尼程度,缓和了系统极点对于系统稳定性及动态过程产生不利影响。根据系统的需要和调节要求,可以选择多种方式的校正系统,各种系统的性能会有所差异,选取最优的组合最大化满足校正要求,从而使之达到最好的校正效果。关键词:自动控制,比例控制,比例积分控制1.P和PI控制原理1.1比例(P)控制比例控制是最简单的控制方式。单独的比例控制也称“有差控制”,输出的变化与输入控制器的成比例关系,偏差越大输出越大。实际应用中,比例度的大小应视具体情况而定,比例度太大导致控制作用太弱,不利于系统克服扰动,余差太大,控制质量差,控制作用小;而比例度太小,控制作用太强,容易导致系统的稳定性变

9、差,引发振荡。对于反应灵敏、放大能力强的被控对象,为提高系统的稳定性,应当减少比例度;而对于反应迟钝,放大能力又较弱的被控对象,则可增大比例度,以提高整个系统的灵敏度,也可以相应减小余差。比例(P)控制主要组成部分是比例环节,比例环节的方块图如图1所示:图1比例环节方块图其传递函数为:单纯的比例控制适用于扰动不大,滞后小,负荷变化小,要求不高,允许有一定余差存在的场合。工业生产中比例控制规律使用较为普遍。比例环节主要由运算放大器、纯电阻、滑动变阻器等组成,其控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在信号变换过程中,P控制器值改变信号的增益而不影响其相位。在串联校正中,加大了控制器增益,可以提高

10、系统的开环增益,减小的系统稳态误差,从而提高系统的控制精度。1.2比例-积分(PI)控制比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种,其最大优点就是控制及时、迅速。只要有偏差产生,控制器立即产生控制作用。但是,不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。比例积分(PI)控制主要组成部分是比例积分环节,其中比例积分环节的方块图如图2所示图2比例积分环节方块图其传递函数为:积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。这里的“积分”指的是“积累”的意思。积分控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关,而且还与偏差存在的时间有关。只要偏差存在,输

11、出就会不断累积(输出值越来越大或越来越小),一直到偏差为零,累积才会停止。所以,积分控制可以消除余差。积分控制规律又称无差控制规律。在串联校正时,PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点,同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别,以消除或减小系统的稳态误差,改善系统的稳态性能;而增加的负实零点则用来减小系统的阻尼程度,缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态性能产生的不利影响。只要积分时间常数足够大,PI控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱,在控制工程中,PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。2.P和PI控制参数设计2.1原系统分析2.1.1初始

12、条件反馈系统方框图如图3所示。(比例P控制律),(比例积分PI控制律),RYe+-图32.1.2原系统稳定性分析由题目给出的初始条件知,当,未加入D(s)校正环节时,系统开环传递函数为:由系统结构图可知系统为单位负反馈系统所以闭环传递函数为:则系统的闭环特征方程为:按劳斯判据可列出劳斯表如表1:表1初始系统的劳斯表1-55110由于劳斯表第一列符号不相同,的系数为负,系统不稳定,需要校正。2.2P控制参数设计2.2.1加入P控制器后系统稳定性分析当,时,系统结构图如图4所示。图4加入P控制器的系统法结构图系统的开环传递函数为:则其闭环传递函数为:系统的环特征方程为:按劳斯判据可列出劳斯表如表2

13、:表2加入P控制器后系统的劳斯表1K-65KK0要使系统稳定则必须满足劳斯表第一列全为正,即:解得,系统稳定时,K的取值范围为。当输入信号为单位阶跃信号时,系统的误差系数为:系统的稳态误差为:2.2.2加入P控制器后系统动态性能指标计算由上述可知,系统稳定的条件为k7.5。分别对k分别取7.5、10、20来讨论分析系统的动态性能指标。不同K值下的系统闭环特征根K=7.5时,系统的闭环传递函数为:通过MATLAB的roots命令求取系统闭环特征根,其程序如下:den=1,5,1.5,7.5;%描述当K=7.5时的系统传递函数中分母的多项式系数roots(den);%求系统特征根其运行结果如下:a

14、ns=-5.00000.0000+1.2247i0.0000-1.2247i系统闭环的特征根为:。从是一对共轭纯虚根,系统处于临界稳定状态。K=10时,系统的闭环传递函数为:通过MATLAB的roots命令求取系统闭环特征根,其程序如下:den=1,5,4,10;%描述当K=10时的系统传递函数中分母的多项式系数roots(den);%求系统特征根其运行结果如下:ans=-4.6030-0.1985+1.4605i-0.1985-1.4605i当K=10时,。K=20时,系统的闭环传递函数为:通过MATLAB的roots命令求取系统闭环特征根,其程序如下:den=1,5,14,20;%描述当K

15、=20时的系统传递函数中分母的多项式系数roots(den);%求系统特征根其运行结果如下:ans=-2.5786-1.2107+2.5081i-1.2107-2.5081i当K=30时,。不同K值下的单位阶跃响应曲线K=7.5时,系统的闭环传递函数为:用MATLAB求系统的单位阶跃响应,绘制出K=7.5时的单位阶跃响应曲线图,其程序如下:num1=7.5,7.5;%描述当K=7.5时的系统传递函数中分子的多项式系数den1=1,5,1.5,7.5;%描述当K=7.5时的系统传递函数中分母的多项式系数t1=0:0.1:15;%选定仿真时间向量,并设计步长y1=step(num1,den1,t1

16、);%求当K=7.5时系统单位阶跃响应K=10时,系统的闭环传递函数为:用MATLAB求系统的单位阶跃响应,绘制出K=10时的单位阶跃响应曲线图,其程序如下:num2=10,10;%描述当K=10时的系统传递函数中分子的多项式系数den2=1,5,4,10;%描述当K=10时的系统传递函数中分母的多项式系数y2=step(num2,den2,t1);%求当K=10时系统单位阶跃响应K=20时,系统的闭环传递函数为:用MATLAB求系统的单位阶跃响应,绘制出K=20时的单位阶跃响应曲线图,其程序如下:num3=20,20;%描述当K=20时的系统传递函数中分子的多项式系数den3=1,5,14,

17、20;%描述当K=20时的系统传递函数中分母的多项式系数y3=step(num3,den3,t1);%求当K=20时系统单位阶跃响应4)单位阶跃响应曲线plot(t1,y1,:r,t1,y2,g.,t1,y3,b),xlabel(t),ylabel(c(t),title(不同K值时单位阶跃响应),grid;%以x为横坐标,分别以y为纵坐标,画出y1、y2、y3多重折线,如图5所示:图5单位阶跃响应曲线不同k值下的系统动态性能指标1)K=7.5时利用ltiview命令观察和读出系统单位阶跃响应时的暂态性能指标,MATLAB程序如下:num1=7.5,7.5;%描述当K=7.5时的系统传递函数中分

18、子的多项式系数den1=1,5,1.5,7.5;%描述当K=7.5时的系统传递函数中分母的多项式系数step(num1,den1);%求当K=7.5时系统单位阶跃响应sys1=tf(num1,den1);%生成当K=7.5时的传递函数ltiview(sys1);%对sys1进行仿真gridon;图6K=7.5时的单位阶跃响应从图6可以看出,当K=7.5时,系统的单位阶跃响应为等幅振荡,处于无阻尼状态。K=10时利用ltiview命令观察和读出系统单位阶跃响应时的暂态性能指标,MATLAB程序如下:num2=10,10;%描述当K=10时的系统传递函数中分子的多项式系数den2=1,5,4,10

19、;%描述当K=10时的系统传递函数中分母的多项式系数step(num2,den2);%求当K=10时系统单位阶跃响应sys2=tf(num2,den2);%生成当K=10时的传递函数ltiview(sys2);%对sys2进行仿真gridon;图7K=10时的单位阶跃响应当光标移到对应点后,在如图7浮出的文本框中可读出数据,列出如下:上升时间:峰值时间:超调量:调节时间:()K=20时利用ltiview命令观察和读出系统单位阶跃响应时的暂态性能指标,MATLAB程序如下:num3=20,20;%描述当K=20时的系统传递函数中分子的多项式系数den3=1,5,14,20;%描述当K=20时的系

20、统传递函数中分母的多项式系数step(num3,den3);%求当K=20时系统单位阶跃响应sys3=tf(num3,den3);%生成当K=20时的传递函数ltiview(sys3);%对sys3进行仿真gridon;图8K=30时的单位阶跃响应当光标移到对应点后,在浮出的文本框中可读出数据,列出如下:上升时间:峰值时间:超调量:调节时间:()由上述数据可以看出,在K7.5时,适当增大K的值,上升时间、超调时间、超调量、调节时间都减少了,改善了系统的暂态性能,加快了系统的响应速度;同时提高了系统的开环增益,减小系统的稳态误差,从而提高系统的控制精度。2.3PI控制参数设计2.3.1加入PI控

21、制器后系统稳定性分析当D(s)=D2(s),G(s)=G2(s)时,系统结构图如图9所示。图9加入PI控制器的系统结构图系统的开环传递函数为:则其闭环传递函数为:系统的闭环特征方程为:,可以列出劳斯表,如表3:表3加入PI控制器后系统的劳斯阵1K+230劳斯判据中要满足系统稳定则劳斯表第一列必需满足符号相同。即:所以系统稳定的条件为:稳定时的允许区域如图10:图10和允许范围图当输入信号为单位阶跃信号时系统的误差系数为:系统的稳态误差为:2.3.2加入PI控制器后系统动态性能指标计算由上述可知,系统稳定的条件为。分别取;的情况下求取系统的闭特征根。不同K和值下的系统闭环特征根时,系统的闭环传递

22、函数为:通过MATLAB的roots命令求取系统闭环特征根,其程序如下:den=1,3,2,5;%描述系统传递函数中分母的多项式系数roots(den);%求系统特征根其运行结果如下:ans=-2.9042-0.0479+1.3112i-0.0479-1.3112i当时:。时,系统的闭环传递函数为:通过MATLAB的roots命令求取系统闭环特征根,其程序如下:den=1,3,12,5;%描述系统传递函数中分母的多项式系数roots(den);%求系统特征根其运行结果如下:ans=-0.4618-1.2691+3.0360i-1.2691-3.0360i当时:。时,系统的闭环传递函数为:通过M

23、ATLAB的roots命令求取系统闭环特征根,其程序如下:den=1,3,7,5;%描述系统传递函数中分母的多项式系数roots(den);%求系统特征根其运行结果如下:ans=-1.0000-1.0000+2.0000i-1.0000-2.0000i当时:。不同K值下的单位阶跃响应曲线1)时,系统的闭环传递函数为:用MATLAB求系统的单位阶跃响应,绘制出时的单位阶跃响应曲线图,其程序如下:num1=5;%描述系统传递函数中分子的多项式系数den1=1,3,2,5;%描述系统传递函数中分母的多项式系数t1=0:0.1:10;%选定仿真时间向量,并设计步长y1=step(num1,den1,t

24、1);%求系统单位阶跃响应2)时,系统的闭环传递函数为:用MATLAB求系统的单位阶跃响应,绘制出时的单位阶跃响应曲线图,其程序如下:num2=10,5;%描述的系统传递函数中分子的多项式系数den2=1,3,12,5;%描述系统传递函数中分母的多项式系数y2=step(num2,den2,t1);%求系统单位阶跃响应3)时,系统的闭环传递函数为:用MATLAB求系统的单位阶跃响应,绘制出时的单位阶跃响应曲线图,其程序如下:num3=5,5;%描述系统传递函数中分子的多项式系数den3=1,3,7,5;%描述系统传递函数中分母的多项式系数y3=step(num3,den3,t1);%求系统单位

25、阶跃响应4)单位阶跃响应曲线plot(t1,y1,:r,t1,y2,g.,t1,y3,b),xlabel(t),ylabel(c(t),title(不同K、Ki值时单位阶跃响应),grid;%以x为横坐标,分别以y为纵坐标,画出y1、y2、y3多重折线。其结果如图11所示:图11单位阶跃响应曲线不同k值下的系统动态性能指标1)时利用ltiview命令观察和读出系统单位阶跃响应时的暂态性能指标,MATLAB程序如下:num1=5;%描述当K=0,Ki=5时的系统传递函数中分子的多项式系数den1=1,3,2,5;%描述当K=0,Ki=5时的系统传递函数中分母的多项式系数step(num1,den

26、1);%求当K=0,Ki=5时系统单位阶跃响应sys1=tf(num1,den1);%生成当K=0,Ki=5时的传递函数ltiview(sys1);%对sys1进行仿真gridon;图12K=0,Ki=5时的单位阶跃响应当光标移到对应点后,在浮出的文本框中可读出数据,列出如下:上升时间:峰值时间:超调量:调节时间:()2)时利用ltiview命令观察和读出系统单位阶跃响应时的暂态性能指标,MATLAB程序如下:num2=10,5;%描述当K=10,Ki=20时的系统传递函数中分子的多项式系数den2=1,3,12,5;%描述当K=10,Ki=20时的系统传递函数中分母的多项式系数step(nu

27、m2,den2);%求当K=10,Ki=20时系统单位阶跃响应sys2=tf(num2,den2);%生成当K=10,Ki=20时的传递函数ltiview(sys2);%对sys2进行仿真gridon;图13K=10,Ki=5时的单位阶跃响应当光标移到对应点后,在浮出的文本框中可读出数据,列出如下:上升时间:峰值时间:超调量:调节时间:()3)时利用ltiview命令观察和读出系统单位阶跃响应时的暂态性能指标,MATLAB程序如下:num3=5,5;%描述当K=10,Ki=1时的系统传递函数中分子的多项式系数den3=1,3,7,5;%描述当K=10,Ki=1时的系统传递函数中分母的多项式系数

28、step(num3,den3);%求当K=10,Ki=1时系统单位阶跃响应sys3=tf(num3,den3);%生成当K=10,Ki=1时的传递函数ltiview(sys3);%对sys3进行仿真gridon;图14K=5,Ki=5时的单位阶跃响应当光标移到对应点后,在浮出的文本框中可读出数据,列出如下:上升时间:峰值时间:超调量:调节时间:()不同k值下的系统动态性能指标取,通过MATLAB绘制波特图,程序如下:num=10,5;%描述当K=10,Ki=5时的系统传递函数中分子的多项式系数den=1,3,12,5;%描述当K=10,Ki=5时的系统传递函数中分母的多项式系数margin(n

29、um,den);%生成当K=10,Ki=5时的系统的伯德图gridon;%生成网格图15K=10,Ki=5时系统的伯德图从图15,我们可以看到系统的相位裕度为:由上图,我们可以看出随着的绝对值接近零,系统的超调量在减少,提高了系统的反应速度,增加的零点越靠近虚轴其作用越明显。进入积分调节,由于增加了一个位于原点的极点,会使系统稳定性下降,系统暂态响应变慢,但只要积分常数足够大,即足够小,新增的零点的值就会更加接近零,PI控制器对系统稳定性、暂态性的影响也会减缓。3.P和PI控制特点的比较3.1比例(P)控制器:比例(P)控制器改变信号的增益而不影响其相位。加入串联比例环节后中,加大了控制器增益K,可以提高系统的开环增益,减小系统的稳态误差,从而提高系统的控制精度。适当增大K的值,上升时间、超调时间、超调

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