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文档简介
II自控制原理》课程设计指导书于MATLAB字PID真:1.单回路统控制器
对象2.串级控统控制器
控制器
副对象
主对象3.复合控-反馈控制)扰动控制器
控制器主对象.述1.常见的PID法控器是由比例项,积分、微分项三部分组成的,其连续型表达式如下:P
dedt:t)……控制器的输出;
kp……控制器的比例系数e(t)………制器的输入信号,一为测量值与输入值之差;........控制器的积分时间I
D
………控制器的微时间。用计算机进行控制时,计机能理散号,故而必须把PID控制算法变换成计算机能实的离散形式,其离散化后的差分方程如下:第页22页ppppidtkP
I
njDnj式中:T………….采样周期;第次的采样偏差值;E(n-1)……第(n-1)次的采样偏差值;n……………采样序号,n=0,1,2,3……1)位置式控制算法按模拟PID控制算法以系列的采样时刻kT代连续时间,以形数值分似替分以阶后分似替分可离散表式:TkkkkjDTIjkeejTj2)增量PID控制增量式控制算法表达式:pi3)梯形积分控制
T在控制规律中分项的作用是消除余差,为了减小余差,应提高积分项的运算精度,为此,可矩形积分改为梯形积分。梯形积分的计算公式为04分控制
i
2在普通PID控中引入积分环节的目的是为了消除静差,但当短时间内系统输出有很大偏差时,会成运算的积分积累致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对的极限控制量引系统较大的超调积分控制基本思路是:当被控量与设定值偏差较大时削弱积分作用以免由于积分作用使系统稳定性降低。2.ID参整定方法增大比例系数一将加系统的响应情况下有于静。但过大比例数会统有大超,,使稳定性。大有超使统但统差大于统使但系统能减对。第页22页、积再整首只部系由并相应系统响应直到得到应超小响应线如系没静或差小允范围并且应线属意那么需例调器最优比例系数可由此定然如调基系静差不足设求则加入积节整定时首设积分间为一值并将前面整定得比例系数略小然后小积间使保统良动情静差得到在此中可根响应曲好反例系积分间以得满意程与整。最若使积调节消除静差但动态过程反复调整不满意,则加环节例积分调节整定先置微分间为。在第步整定基础上,增大微分间,时相应改变例系数和积分时间,逐步试,以获得满意地调效果控制数。直型系控制系果的与要在SIMULINK模型。下直UERIa
a
adt
1中R为电电的时间数E为定下机反动势。a略性。程为TL
dt
2根据12直电机数学模型的数学,直流电机学模型的。环系的环的的SIMULINK。用M以M的用SIMULINK。用SIMULINK的直模型环的控系,动。器用PID。.上面制系基础,设流、环制系统对电动的控制。6.动的、,下果并较控制系的制果。第页22页第页22页的ID制摘要随经和技的发展,人们生活水正不提,车也已经走入了家日生活人们对汽车的要求也越来越高家希望所驾驶或坐汽车拥良好的坐舒性驾平稳性。以本从点发通过对汽车悬架的力学析,以车身移作为输出,路激励作干,建立学型,运传统控制理论,计控制器,在环下对汽车悬架模型进行仿真,使理论与实际得到最优结合。力求得到优良的舒适性和平顺性,同时体会传统控的优。键:汽车悬架目录章1.1
引.………2统PID控制………………第二章架系及数模型2.22.3
汽车悬系统………7悬系统数学模型的建立…………小…………11第三章架统中控制的实现k建方法…………12用Simuk对车悬架系统进行仿真…位式控制算法…………梯积分PID控制…17积分分离控制……19增量控制……结……………………22结
…………………
……………………第页22页章论
引言典型反馈控制系统下包三典的分即对象模型控制器模型和反馈模。在这样的结下统对象模型和控制器模型共构建系统的前向通道所的反模型构成了统的反馈通道。在控系统中反的概念是很重要的以动水为在电动水壶中,我们由某种方检验中水的汽化程在烧开后会自动闭加热可以自壶的制还是较理的节约能源另外还可以避免事故自界中系统是没有多少现象是可以满足这里所谓的“理想”有某种干扰信号,而在开环控制下作用的扰动不能在控制器中映出来器以一不变形式原系继续控制而忽扰动信号的存专的系输出难和我们所预期的一致甚至会出的不稳定象。有反馈系统以后可以通过系统的实际输出信号预期的输出号之间的偏差来调整个系统的响应实际的输出信号就是由反馈环节的系统的出信号偏了期的出信号制器将作用实的输出信号变化期的出信。我们可以由反馈环节实际输出信号加以理输信号中这样的反馈信号将结输控制中控制整个系在反控制统中们的是如输出信号输信号,这样的控结构为反馈控制。反馈控制系统的模在系统的中很重要的作系模型,就可以比较系统的方对分,同一系统的方是模的。如系统的模型由种方系统的模型对统分,第种方是的式原理出系的型,为理模方第种是系统应的的出统的模型为统建方。第页22页IpIp1.2IDPID三鲁(也即品质对被对特参变化敏感ID数描述PID器由项项三组成连续型表达
dedt中()…输
kp…器系数;)器输入信号般测量值与入值差
I
器时
D
…器时间PID仅处离散信号故须PID换成能实离散形离散化后差程P
I
njDnj中T……采样周
e(n)…..次采偏值…n-1)次采偏差……………采号n=0,1,2,3…
调节调中调节器输P与差eq\o\ac(△,号)成也即p中增益著被系终影响差调节但快好p722tttt比例节的跃出响应曲线图图跃信号
图比例调节跃输响应
积分调节在积分调节中调节器输出与偏对时间的积分成例,也就是:
So为积分度,与比调节相比较,积分调节的特点是无差调节,但快速性和稳定不如例节,其阶跃出响曲如图:图阶跃信号
图分调节阶输出应
比例积调节比例积调节器是综合例和积分两种调节优点比例节快速抵消干扰的影响,同时用积调来消除静差其调规未为:
式中δ被称为比地带,可为正值负值;分,下是T调节器阶跃输II出相应线它由比例和积分两部分共同作用而得到的加跃输入的瞬间调节立即动作,产一
I
的阶跃,然后以速度t时刻,调器II第页22页tt的输出为可以据下图来定和TI的。值:图阶跃号比例积分微分ID)调节调器的调节规律为
图比积分阶跃出响应Pp
D
0
I
ddt式中、I
K、S与面相同,为微分速度T微分时间。PDID调节器是综合、ID的优点一的制,加入微项提高系统稳性,适引入微分项可以允许少许减少比例带却保减不但是微调不单作用系统因实的节器一定失灵当被量的差到一定程度调器能觉故而动作,但经长间的积累,偏可能达常大的值这实系统不允的PID调节的阶输出应曲如:第页22页图阶号
图比例积的阶跃输出响应图中k、K分为比增益积分益、分增。ID凑试法确定ID参增比例系数般加系的应在静的况有于小差但大的比系数会使系统有较大的超调,并产生振荡,使稳定性变坏增积分时间利减超,小荡使统加定但统差消将之减。增微分时间有于快统应使调减,定增,系对动的抑制能力减弱,对扰动有较敏感的响应在试时,可参以参对程影趋,参进先例后分再分的定步骤首,整比例部分即比系数小大并观察应的系响应,到到应快超的曲果系统有差或静已到允许围并相应线已属满意,那么需用比例调节器可,最优比例系数可由此确。然,如果在例节基上统静不满设要,需入分节整时先置积分时为较值将前面整定得到的比例系数略为减小然后小积分时间,使在保系的能的情况下静得到除在此过程中,可响应曲线坏比系数分间以得满的制过整定参数最,使比积分调节消静差但过程调整不,则可加入分环比例积节器,在整定可先置微分时间为。第步整定基础大分时,时相变例数积分间凑,满意节果制数第页共页
广采规该类元阻尼元整再随况激励化化般所选元划板扭空气橡这种难度易护低档广泛同也下两种缺陷限制发:元仅相对运出反应且静与率反比约取值围受限在程中随况激励化在中对求相矛盾了效减指标“较软;转侧倾后倾又求簧硬这就选带了困难同、、速素但即最化选也在程中当况激励发生化受很随人们生水断提高断进人们家庭人们尤纵乘适求越越基这国者了种诸如采非线刚度气气簧)高调节置但均本局从上决问50后人们便始索种思装置这就出现了11
22过感震模加度速度后所数送给载进数处理指令给改变运达震目即磁阀驱油气式驱空气美国GS公司Erspiel-Labrosse1954首提期采忽略簧下质度型1976A.G.Thmpson采度数模型研并空间理最理论确最率界工业较达国家诸如日本美国等先后研究本国特色装试验证明方法达较好效果但前止因理论不太熟商业本太高等原因不广泛整究员了解决问探研究了既克服本局限克差缺新―――-二首念许多者了验究整上奠定了础元弹元阻尼代件达省并调参达最优效从理论上讲元阻元参均调上元刚值变较尼元变难多故程践经采改阻尼器阻尼孔小达调阻尼目阻尼调方整调阻另特征调特阻尼方式仅保定间内阻尼值最意义最优然差但价廉12
22不供给能源,故而有着广泛的应用前景本中就选择汽车半主动悬架作为研究对象,建立其数学模型
汽车悬系统数学模型建目对半动悬架的究要中在用当控制策略制阻调节输出合的阻力评定一个悬架系统性能的好坏论是主动的或半主动的悬架系统们要它能态的改阻尼力能消通过架递车的面号大小据车车能悬的求通常用以三参来评悬的劣,即车垂直加速(舒适性及平顺性,车轮相动载(安全性,悬架弹行程,即悬架动(汽车重心高度弹簧寿命)因为身直速直影汽车舒性平性们的控制目标集中在车身垂加度,我们把考型车身直速作为实际型参值。本文选二由一定架为究象悬架中的定值阻尼改为可阻器加控制的汽车主动悬系下就汽的半动悬架系统:第页共页tr...tr...12..12m1非簧质量,载量
F、弹性恢复力
F阻尼力K弹刚度,C阻器数K轮刚图半主动悬屋里模型图半主动悬受力分图对汽车主动悬架系统行受力分析以建立学模型图,中变量,0
2
分别代表路面励簧载质量位移及簧载质量位移为了确保模型的能观控性可半动悬架中可调阻尼看作由固定基值尼器(其阻尼系为
C
)和变化阻尼器(生作用为F(t))两部组成间的性恢复
和阻力
Fr
分别:
K21Fr01轮胎和地面的性恢复为Ktt
1
0
对列方程m1
1
t01
1
2
s
对列方程有m2
2
s2
s0
.
:对()(2)分别进拉氏变换,有:第页共页1111
mm2
22
ts012Fssss........................................412由()出到
s
1328002194532132800s128000000
s
21945s
s2132800ss128000000
:
312s
4
3
1ss213200000s它是关于的传函。:
312
128000000213280013200000它就是关于的递函数。02其弹簧量kg
非载质量
悬架刚度
ks
轮胎刚度
k160000mt
基值尼
C
0
Nsm
。结悬系统是汽的要成分一它车和轮性连起,要来传递用车和车轮之的和矩和由于路面凹凸传递给车身的冲击载引起的车身振到使车辆常行驶目悬好坏也是衡量一辆车好坏的要指标之一悬统性优劣影响辆的平,操定性燃油经济性通过性等多面的能章介汽车系统展过介绍被动和主架这悬架并介绍各地点为提汽车的驾驶平顺性对主动悬架系统进行力学分析选激位移为输,车身位移作输出建立了它的数模型。第页共页章悬架中PID现在章中,设计种算对第二中所建立的汽车架系统的数学模进行控制,并在MATLAB环境下对其行仿。3.1Simulink建模方法Simu是TheMathWorks公司于年推出产品于MATLAB下建立统框图真的。从上看即能程序层意首先Simu一词表明它以用于计算机仿真“Link一词表明它进行系统连接把一系列模块接起来,构复杂的系统模型是出于他的两大功能和特色使得它成仿真领首选的算机环境。3.1.1Simulink模库简介整Simulink各块成的Simu模中信源模块组输出池模块组、连续模块组、非线性模块组、函数与表格模块组,号与系统模块和子系统模块组几部分。信号源模块组包括各种各样的输入信号该模组的主要模块有输入口模块普通号模宽限幅噪声文件模块和读模信号模数输入块接线模块、各种其他型的信号入。用连续模块,包分、分线系统的方、函数、。离散模块组主要于建立离散用系统的模模块组主要包括离散系统的函方。函数表格块实现各种一函的表用可以复杂的数,该块组主要包:表块、二表块、数计模、MATLAB函数的块、S函模块。数运模组实现各各样的学数块该组主要的模块有数和块、数模块、复数的实部部函数块、一数模型、数字模。非线性模块组一用非线性运模块,模组的主模包括:Cou与性模环而在模块中分线性线性模,非性和线性块块、限幅模块。输出池块组实上是包能计的模块块主的块输第页共页出端口块、示波器模、示波器工作空间写入模块、写文件模。数字显示模块、仿中止模块和号终结模块信号系模组含主内容混器分器息示模块路器和矩阵基本运算模块子系统模块组包了各种各样的子统结构主要内容有空白子系统结构触子统模块、使能子系统和结构控制子系统3.1.2Simulin模的建立在环境下,编辑模的般为首打一个空白的编窗将块库的模块复制编辑窗口中按照给定的框图改编辑窗口中模的参数各模块按给定框连接起来,样就以这个模型进仿真。模块的接与简单处理两个模块连接起来是一件很简单的事情每允输出口都一个出>符表示离开模,而输入端有一输>符号,入模。只须一个块的输出口处按下标左,动鼠标至后一个模块的输处放鼠标键则会自动的将两个块连接起来。如果想快速进两个模块的连接还可以先单选模块下键单标模块样将接建立起两个模块的可连接。连后,连有的。有的,为了的和,将个模块进行处理,在下对模块进行这样的处理是很容的,首先该选中该模块模组。鼠标单该块就可以选中选的模出标处选中的选中了一模对进行处如在制模型要路模块的输入端和输端一下,可以开Simulink的Format单,中其中的子单FlipBlock为来,般在连前行模,再将,后模块连接来模块的参数修:在制块,只能给出有数模块模,这1和要的输入的要能修改该模型的参数数模的Gs为,如想输入的模为G
3s224s4s335ss则可以该数模块到的框中分在分子输入编辑框和分编辑输框中入系统的分子参[1,7,24,24]分参[1,10,35,50,24],则可以终修后的系模型。第页共页,2,2
应用link对汽悬架统进仿真选取激位移作为输入身移作输可阻尼器所产生的力为量通过加控制器之后的车身加速度和没加控制器前的车身加速度的比较来体现控制的好坏即汽车驾驶的平顺和舒适性。选择面激励一正弦信其表达式为π。图
续模型
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