晶闸管直流单闭环调速系统-数字PID控制器的设计-精选.doc

实验一 晶闸管单闭环调速系统数字PID控制器的设计 一、实验目的： 1. 理解晶闸管直流单闭环调速系统的数学模型和工作原理； 2. 掌握PID控制器参数对控制系统性能的影响； 3. 能够运用MATLAB/Simulink软件对控制系统进行正确建模并对模块进行正确的参数设置； 4. 掌握计算机控制仿真结果的分析方法。 二、实验工具： MATLAB软件（6.1以上版本）。 三、实验内容： 已知晶闸管直流单闭环调速系统的转速控制器为PID控制器，如图1所示。试运用MATLAB软件对调速系统的P、I、D控制作用进行分析。 图1 单闭环调速系统 四、实验步骤： （一）模拟PID控制作用分析： 运用MATLAB软件对调速系统的P、I、D控制作用进行分析。 （1）比例控制作用分析 为分析纯比例控制的作用，考察当时对系统阶跃响应的影响。MATLAB程序如下： G1=tf(1,[0.017 1]); G2=tf(1,[0.075 0]); G12=feedback(G1*G2,1); G3=tf(44,[0.00167 1]); G4=tf(1,0.1925); G=G12*G3*G4; Kp=[1:1:5]; for i=1:length(Kp) Gc=feedback(Kp(i)*G,0.01178); step(Gc),hold on end axis([0 0.2 0 130]); gtext([1Kp=1]), gtext([2Kp=2]), gtext([3Kp=3]), gtext([4Kp=4]), gtext([5Kp=5]), （2）积分控制作用分析 保持不变，考察时对系统阶跃响应的影响。MATLAB程序如下： G1=tf(1,[0.017 1]); G2=tf(1,[0.075 0]); G12=feedback(G1*G2,1); G3=tf(44,[0.00167 1]); G4=tf(1,0.1925); G=G12*G3*G4; Kp=1; Ti=[0.03:0.01:0.07]; for i=1:length(Ti) Gc=tf(Kp*[Ti(i) 1],[Ti(i) 0]); % PI传函 Gcc=feedback(G*Gc,0.01178) step(Gcc),hold on end gtext([1Ti=0.03]), gtext([2Ti=0.04]), gtext([3Ti=0.05]), gtext([4Ti=0.06]), gtext([5Ti=0.07]), （3）微分控制作用分析 为分析微分控制的作用，保持不变，考察当时对系统阶跃响应的影响。MATLAB程序如下： G1=tf(1,[0.017 1]); G2=tf(1,[0.075 0]); G12=feedback(G1*G2,1); G3=tf(44,[0.00167 1]); G4=tf(1,0.1925); G=G12*G3*G4; Kp=0.01; Ti=0.01; Td=[12:36:84]; for i=1:length(Td) Gc=tf(Kp*[Ti*Td(i) Ti 1],[Ti 0]); % PID传函 Gcc=feedback(G*Gc,0.01178) step(Gcc),hold on end gtext([1Td=12]), gtext([2Td=48]), gtext([3Td=84]), （4）仿真结果分析 （a）图2为P控制阶跃响应曲线。比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器即控制使其输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在稳态误差。加大比例系数可以减小稳态误差，但过大时会使系统的动态质量变坏，引起输出量震荡，甚至导致闭环系统不稳定。 由图2可知，随着的增加，闭环系统的超调量增加，响应速度加快，控制时间加长，稳态误差减小，但不能完全消除静态误差。随着其继续增加，系统的稳定性变差。本例中当后，系统变为不稳定。 图2 P控制阶跃响应曲线 (b) 图3为PI控制阶跃响应曲线。引入积分环节可以消除在比例积分中的残余稳态误差。但当积分时间常数增大，那么积分作用变弱，反之变强，因此增大将减慢消除稳态误差的过程，但减小超调，提高系统的稳定性。引入积分环节的代价就是降低了系统的快速性。 由图3可知，随着的增加，系统的超调量减小，响应速度减慢；太小，系统将会变得不稳定；能完全消除系统的静态误差，提高系统的控制精度。 图3 PI控制阶跃响应曲线 （c）图4为PID控制阶跃响应曲线。微分调节的原理是在偏差出现或出现的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消失在萌芽阶段，从而达到加快控制作用的效果，引入微分环