动态系统建模仿真_实验报告

1实验目的（1）了解位置伺服系统的组成及工作原理；（2）了解不同控制策略对系统性能的影响。2实验设备（1）硬件：PC机。（2）工具软件：操作系统：Windows7；软件工具：MATLABR2014a及simulink。3工作原理及实验要求3.1实验原理图3.1是一个以直流电机为驱动元件的位置伺服系统的方块图，Gc（s）为控制器，uf为与作用于转动轴上的摩擦力矩相对应的电压值。对于位置伺服控制系统，控制器的输出并不是直接驱动电机，而是经过D/A转换及功率放大后驱动电机带动负载运动。控制的目标，是使由位置传感器及测量装置给出位置反馈信号跟踪指令信号。实际的控制对象中包含D/A、功率放大器、电机、负载、位置传感器及测量装置等环节，在本实验项目中，将各环节的模型适当简化，得到广义被控对象为如下形式：BsJsGP21(1.1)其中J为等效转动惯量，B为等效阻尼系数。1Js+Bs2Gc(s)ryeuf-u电机-负载模型图3.1位置伺服系统方块图3.2实验要求（1）采用PID控制器对系统进行仿真，求出负载转角的响应曲线。要求考虑摩擦力矩、控制器输出饱和等非线性因素的影响。（2）采用模糊控制算法对系统进行仿真，求出求出负载转角的响应曲线，并与PID控制的响应曲线进行比较。仿真时要求考虑摩擦力矩、控制器输出饱和等非线性因素的影响。4实验内容及步骤4.1PD控制位置伺服系统仿真（1）定义参数：系统仿真图为图4.1，信号发生器选择幅值为5频率1的正弦信号，在本次实验中BsJsGP21，参数J取0.05，参数B取0.5。摩擦力矩Juuf,u为控制输出，J为等效转动惯量，转速。非线性饱和器上下限非别为10~-10。图4.1PD控制位置伺服系统（2）PD参数整定本次仿真采用试凑法确定PID控制器参数，试凑法就是根据控制器各参数对系统性能的影响程度,边观察系统的运行,边修改参数,直到满意为止。一般情况下,增大比例系数KP会加快系统的响应速度,有利于减少静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调,并产生振荡使稳定性变差。减小积分系数KI将减少积分作用,有利于减少超调使系统稳定,但系统消除静差的速度慢。增加微分系数KD有利于加快系统的响应,是超调减少,稳定性增加,但对干扰的抑制能力会减弱。在试凑时,一般可根据以上参数对控制过程的影响趋势,对参数实行先比例、后积分、再微分的步骤进行整定。本次实验中比例系数Kp取35,Kv取9.(3)仿真结果Simulink仿真结果如图4.2，将仿真图导入matlab工作空间，在命令窗口作出仿真结果图，如图4.3。通过仿真图可以看出PD控制器控制效果比较明显，实际转速能较好的的跟踪输入曲线，但是跟踪时间有滞后。图4.3PD控制转速响应曲线图4.4PD控制转速响应曲线跟踪4.2模糊控制位置伺服系统仿真02468101214161820-5-4-3-2-1012345仿真时间（s）PD控制转速跟踪曲线实际转速曲线期望转速曲线（1）模糊控制器设计根据系统需要确定模糊控制器输入变量为偏差E和偏差变量EC，输出变量为U。E和U的论域为[-10，10]，EC的论域为[-1，1],隶属度函数均为高斯函数，设计分别如图4.5，4.6,4.7。图4.5输入变量E图4.6输入变量EC图4.7输出变量U通过模糊规则编辑器设计模糊规则，如图4.8.利用面积质心法去模糊化编辑好模糊控制器（FUZZY.fis）导入MATLAB工作空间。图4.8模糊规则编辑器（2）模糊控制位置伺服系统该节对象参数与上节参数一致，利用simulink画出仿真图，如图4.9，通过试凑法得出量化因子为60，0.1,2。图4.9模糊控制位置伺服系统（3）仿真结果Simulink仿真结果如图4.10，matlab仿真结果如图4.11，从图4.11中可看出模糊控制转速曲线几乎与输入曲线一致，拟合效果非常好。图4.10simulin仿真结果图图4.11模糊控制转速跟踪曲线5.实验结果分析本实验主要实现对位置控制问题，首先使用常规的PD控制，PD控制算法02468101214161820-5-4-3-2-1012345仿真时间（s）模糊控制转速跟踪曲线模糊控制转速曲线输入曲线简单，可靠性高，容易实现，有效的解决由于负载等外部干扰带来的扰动误差。由于PD控制的精度有时不能满足实际要求，因此采用更加先进的控制算法，本次实验采用模糊控制算法，模糊算法不但简单，而且易用于实际工程。从实验仿真结果可以看出，误差跟随精度相比PD控制大大减小。