计算机控制技术三级项目

机电系统计算机控制三级项目题目：二阶弹簧—阻尼系统的PID控制器设计及参数整定学院：机械工程学院年级专业：2012级机电控制一班团队成员：周正苏怡帆肖显明王超王胥臣指导教师：张立杰完成时间：2015年9月2一、PID应用调研PID调节器是一种较为理想的传统调节器,其比例作用起主要调节作用，一般只有比例作用能单独完成自动调节控制。但是，仅采用比例调节，系统会存在稳态误差。积分作用的引人可以实现无差调节，但又容易过调使系统产生振荡；微分作用能减小动态偏差，用于克服对象的迟延和减小积分作用造成的过调比较有效，但不能单独使用。在实际应用中，总是以比例调节为主，根据对象特性和调节要求适当加入积分和微分调节作用，构成较为完善的PID调节器。为了实现无差调节，传统的PID调节器引人积分作用后,不可避免地使系统的调节过程发生超调。适度的超调对于提高系统的响应速度是有利的，但过度超调将使系统发生振荡，甚至使系统不稳定。PID参数整定时如何使系统保持适度的超调始终是一个难点,而全程调节系统中对象特性参数的变化更使得整定过程复杂化。在现代由于计算机进入控制领域，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，用软件实现PID控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使PID控制更加灵活。计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此，连续PID控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法[2]。在计算机PID控制中，使用的是数字PID控制器。目前有位置式PID控制算法以及增量式PD控制算法。位置式PID控制算法由于采用了全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对error(k)量进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机输出的控制量u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)可能会出现大幅度的变化，会引起执行机构位置的大3幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID控制的控制算法。1、PID控制器优缺点（1）PID控制实用性PID控制器具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，是迄今为止最稳定的控制方法。它所涉及的参数物理意义明确，理论分析体系完整，并为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。从实际需要出发，一种好的PID控制器参数整定方法，不仅可以减少操作人员的负担，还可以使系统处于最佳运行状态。因此，对PID控制器参数整定法的研究具有重要的实际意义。（2）PID控制局限性但从另一方面来讲，控制算法的普及性也反映了PID控制器在控制品质上的局限性。具体分析，其局限性主要来自以下几个方面：算法结构的简单性决定了PID控制比较适用于单输入单输出最小相位系统，在处理大时滞、开环不稳定过程等受控对象时，需要通过多个PID控制器或与其他控制器的组合，才能得到较好的控制效果；算法结构的简单性同时决定了PID控制只能确定闭环系统的少数主要零极点，闭环特性从根本上只是基于动态特性的低阶近似假定的；出于同样的原因，决定了单一PID控制器无4法同时满足对假定设定值控制和伺服跟踪控制的不同性能要求。2、PID控制算法PID控制器是一种基于偏差在“过去、现在和将来”信息估计的有效而简单的控制算法。而采用PID控制器的控制系统其控制品质的优劣在很大程度上取决于PID控制器参数的整定。PID控制器参数整定，是指在控制器规律己经确定为PID形式的情况下，通过调整PID控制器的参数，使得由被控对象、控制器等组成的控制回路的动态特性满足期望的指标要求，达到理想的控制目标二、控制器对系统动态响应特性影响1、P控制器P控制器只改变系统的增益而不影响相位，他对系统的影响主要反映在系统的稳态误差和稳定性上，增大比例系数可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，但这会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统的不稳定。2、PI控制器PI控制器消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能53、PID控制器PID控制通过积分作用消除误差，而积分控制可缩小超调量，加快反应，是综合了PI控制与PD控制长处并去除其短处的控制，从频域角度看，PID控制通过积分作用于系统的低频段，以提高系统的稳定性，而微分作用于系统的中频段，以改善系统的动态性能。三、原理的应用仿真1.建立模型考虑弹簧－阻尼系统如图1所示，其被控对象为二阶环节，传递函数G(S)如下，参数为M=1kg，b=2N.s/m，k=25N/m，F（S）=1。图1弹簧－阻尼系统示意图弹簧－阻尼系统的微分方程和传递函数为：6FkxxbxM25211)()()(22sskbsMssFsXsG（1）控制器为P控制器时，改变比例带或比例系数大小，分析对系统性能的影响并绘制响应曲线。（2）控制器为PI控制器时，改变积分时间常数大小，分析对系统性能的影响并绘制相应曲线。（当kp=50时，改变积分时间常数）（3）设计PID控制器，选定合适的控制器参数，使阶跃响应曲线的超调量%20%，过渡过程时间2sts，并绘制相应曲线。图2闭环控制系统结构图2、利用SIMULINK对系统进行仿真PID中：P的控制器传递函数为ppKsG)(PI的控制器传递函数为sTKsGIpp11)(PID的控制器传递函数为sTsTKsGDIpp11)(7（1）控制器为P控制器利用SIMULINK搭建的模型如下图所示图3P控制器回路分别取比例系数K=1/10/50，示波器采集到的图像如下：K=18K=10K=50从三个图像对比我们可以看出，K越大，系统响应越迅速，快速性好。故确定K=509（2）控制器为PI控制器取K=50的前提下，分别取积分时间T=0.1/1/10利用SIMULINK搭建的模型如下图所示图4PI控制器回路Ti=0.110Ti=1Ti=10因为积分环节主要作用是消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能，从以上三个图比较便可得到Ti越大，那么系统的11输出越能准确跟随输入信号，便就是系统的稳态性越好。（3）控制器为PID控制器任务书所给的要求为设计PID控制器，选定合适的控制器参数，使阶跃响应曲线的超调量%20%，过渡过程时间2sts其中，最大超调量%20%100)()()(%cctcp，即2.1)()(%)(cctcp，再根据2sts，来调节Ti和Td具体参数，并且利用SIMULINK搭建的模型如下图所示图5PID控制器回路调节PID的值，取Ti=120，Td=2012四、设计小结PID参数的整定就是合理的选取PID三个参数。从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态误差等方面考虑问题，三参数作用如下：比例调节作用：成比例地反映系统的偏差信号，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生与其成比例的调节作用，以减小偏差。随着Kp增大，系统的响应速度加快，系统的稳态误差减小，调节应精度越高，但是系统容易产生超调，并且加大Kp只能减小稳态误差，却不能消除13稳态误差。比例调节的显著特点是有差调节。积分调节作用：消除系统的稳态误差，提高系统的误差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越小，积分速度越快，积分作用就越强，系统震荡次数较多。当然Ti也不能过小。积分调节的特点是误差调节。微分调节作用：微分作用参数Td的作用是改善系统的动态性能，在Td选择合适情况下，可以减小超调，减小调节时间，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。因此，可以改善系统的动态性能，得到比较满意的过渡过程。微分作用特点是不能单独使用，通常与另外两种调节规律相结合组成PD或PID控制器。表一各参数对调节过程的影响性能指标参数Kp↑Ti↓Td↑偏差↑↑↓稳态误差↓——超调量↑↑↓振荡频率↑↑↑14比例、积分、微分控制作用是相互关联的，参数的调整必须考虑不同时刻各个参数的作用以及相互之间的互联作用。五、总结在本次三级项目的实际操作，对课本的原理等基础知识有了更深一步的理解，初步了解了如何将本科的理论知识运用。互相合作与查询资料中我们也对其他知识有了新的理解，拓宽了视野，学会了如何获取更多的知识，也懂得了如何筛选自己需要的知识。在讨论课的过程中，也知道了如何利用已有产品的样本解决问题，会初步使用样本，对以后的工作打下了一定基础。当然分析问题还不是很熟练，也有些问题不明白，需要借助一些资料的帮助。感谢老师和学长的帮助和支持！