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开题报告
电气工程与自动化
直流电动机双闭环控制系统设计与分析
一、选题的背景与意义
随着现代工业的快速发展，在调速领域中，双闭环的控制理念已经得到了越来越广泛的认同。由于其动态响应快,静态性能良好,抗干扰能力强,因而在工程设计中被广泛地采用[1]。现在直流调速理论发展得比较成熟,但要真正设计好一个双闭环调速系统并应用于工程设计却有一定的难度[2]。
PID（即：比例-积分-微分）控制器是最早发展起来的控制理论之一，由于它具有算法结构简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，在工业控制中90％是采用PID控制系统 [3]。然而，在越来越复杂的工业过程中，常常难以确定其精确数学模型，无法从理论上准确设计PID 控制器的相应参数。此外，在实际的生产现场过程中，由于受到现场环境及运行工况的变化等因素的困扰，常规的PID设计方法往往整定欠佳，性能不良，对运行工况的适应性较差，很难满足对生产过程的控制性能和产品质量的要求。
群体智能算法(Swarm Intelligence Algorithm) [4]是近十几年发展起来的智能仿生算法，其基本思想是模拟自然界生物的群体行为来构造随机优化算法。其中由美国学者Kennedy 和Eberha提出的粒子群优化算法(particle swarill optimization，PSO)
计算快速收敛，不易陷入局部最优，而且所需参数少且易于实现。因此，粒子群及改进的粒子群优化算法在PID参数整定中的应用近几年也得到了极大关注和重视。
二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：
1、基本内容
本课题主要研究直流电动机双闭环控制系统设计与分析，并通过粒子群优化算法（PSO）用于双闭环PID调节控制的方法对系统进行设计和仿真。
双闭环PID控制系统设置了转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 两者实行串级连接, 且都带有输出限幅电路。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速环作为外环, 以抑制电网电压扰动对于转速的影响, 把由电流环作为内环, 以实现在最大
电流约束下的转速过渡过程最快最优控制。直流电动机双闭环控制系统原理见图1所示。
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图1 直流电动机双闭环控制系统原理
其中：ASR —转速调节器 ACR —电流调节器 TG —测速发电机 TA —电流互感器 UPE —电力电子变化器
*n
U —转速给定电压 n U —转速反馈电压 *i U —电流给定电压 i U —电流反馈电压 标准PSO 算法的基本思想是模拟自然界生物的群体行为来构造的随机优化算法。设在D 维空间中，有m 个粒子组成一个群落，其中12(,,)i i i id X x x x =…,表示第i 个粒子在D 维空间的当前位置，第i 粒子的当前速度用12(,,)i i i id V v v v =…,表示；粒子i 所经历的最好位置称为best P ，记作12(,,)i i i id P p p p =…,，即个体最好位置；全局极值best g ，记为12(,,)g g g gd P p p p =…,，则PSO 算法的进化方程描述为：
11122()()()(),n n n n n n id id id id gd id v wv c rand p x c rand p x +=+-+- （1） 11,n n n id id id x x v ++=+ （2） 其中1()rand 和2()rand 表示为[0,1]范围内变化的随机数；1c 和2c 为加速度常数，用来调节每次迭代的步长，一般设置为2；n 为迭代次数；w 为惯性权重，起着调整算法局部和全局的搜索能力的作用；此外为了减少在进化过程中，粒子离开搜索空间的可能性，粒子的速度id v 被一个最大的速度max v 限制，即当前对粒子的加速导致其在某维的速度超过最大的速度max v ，则速度就被限制在max v 。其中最大速度取决于当前位置与最好位置之间区域的分辨率，
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如果最大速度太大，可能会飞过最优解，如果最大速度太小，又不能在局部好区间之外进行搜索。
惯性权重参数w 具有维护全局和局部搜索能力的平衡作用。在解决实际问题时，往往需要先采用全局搜索，以使搜索空间快速收敛到一个较小的区域，然后再采用局部搜索，从而在提高算法优化时间的同时避免了算法较早陷入局部最优，提高了搜索结果的精确度。通常设定为0.9到0.4的范围内线性减少，即：
max min max max
,w w w w iter iter -=-? （3） 其中max iter 是最大的进化代数，iter 是当前的进化代数，max w ，min w 分别代表w 的变化范围的上界和下界。
2、拟解决问题
要求在不同信噪比下比较控制的结果：
（1）、控制精度，过度过程时间，鲁棒性等性能差异。
（2）、讨论各个参数的选择的要求及其对控制结果的影响。
（3）、给出算法的具体步骤和流程图，提供MATLAB 或Simulink 源程序及说明。
三、研究的方法与技术路线：
PID 控制器的设计就是对i k ，p k 和d k ，即比例、积分、微分三个参数的调整来达到控制器性能的要求。PSO 算法优化PID 控制器参数的基本思路为：首先确定算法的维数，进化常数，并根据控制性能的要求，确定优化评价指标，再将PID 参数编码成如下粒子编码串：
[,,]i p d k k k ，粒子中每个变量都用实数表示，取值范围根据要求确定，通过粒子群优化算法在该范围内寻求比例、积分微分三个参数的最优解。
图2 PID 控制系统框图 控制规律为：0()()()()t p i d de t u t k e t k e t dt k dt
=++?
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其中：()e t =()r t -()y t ，/i p i k k T =，d p d k k T =?
具体流程如下：
第1步：确定种群维数、种群规模、进化常数和控制器参数i k ，p k 和d k 变量取值范围的上下界。随机初始化粒子群，即粒子的初始位置、速度，粒子的个体最优值best p 和种群的群体最优值best g ；
第2步：根据关于i k ，p k 和d k 的适应度评价函数计算粒子群中每一个粒子的适应度； 第3步：将每个粒子的当前适应度与个体最优值best p 比较，如果当前适应度值更优，则用当前的值更新；
第4步：将每个粒子的当前适应度与群体最优值best g 比较，如果当前适应度值更优，则用当前的值更新；
第5步：根据式（1）和（2）更新每个粒子速度和位置，惯性权重参数按式（3）或者其它优化设置变化；当寻优过程中粒子跑出限定寻优范围，则将其放回边界继续参与寻优； 第6步：迭代次数t=t+1，如果达到最大迭代次数或者优化的终止条件，循环终止，否则返回第2步继续执行。寻优完成后，输出的best g 中保存的参数，即为控制器参数的最优结果。
在MATLAB 软件中，用Simulink 建双闭环直流电动机调速系统模型。对于电流内环设计，希望电流无静差，在突加控制时，电流不能有太大的超调，可以选择典型Ⅰ型系统，采用PI 调节。 对于转速环的设计，可以选择典型II 型系统，在实现转速无静差的同时又能满足动态抗干扰性能的要求，采用抗饱和调节器（PID ）。
在软件仿真中建立PSO 优化的系统模型，然后进行系统性能分析，记录数据，然后对PSO 优化后的系统和传统工程设计得到的性能进行对比。
四、研究的总体安排与进度：
第1-3周（2010.11.27-2010.12.19）：在广泛查阅中外文献与资料的基础上，完善课题研究方案，完成文献综述2000字以上和翻译外文文献2篇以上，（每篇外文文献翻译的中文字数一般要求2000字以上）。
第4周（2010.12.20-2010.12.26）：在文献查阅的基础上，完成课题综述，完成开题报告，完成开题报告答辩。
第5-8周（2010.12.27-2011.1.16）：毕业设计（论文）的设计主要实施阶段，按本课题
的技术路线与总体方案具体实施。
第9-12周（2011.02.17-2011.03.13）：2010学年上学期第1-4周毕业实习。
第13-18周（2011.03.14-2011.04.24）：继续设计阶段、实验、设计、编程、调试、结果分析、撰写论文。期间还将组织毕业设计的中期检查，执行“毕业设计（论文）中期黄牌警告制度”。
第19-21周（2011.04.25-2011.05.15）：毕业设计资料整理，提交完整的毕业设计（论文）资料。
22-23周（2011.05.16-2011.05.27）：毕业设计（论文）答辩准备、答辩、毕业设计成绩评定。
五、主要参考文献：
1. 祁佳，罗琦，王德强，基于改进粒子群算法的PID控制器参数整定[J].计算机与现
代化,2009年第1期（总第161期）.
2.Chao ou,Weixing Lin,Comparison between PSO and GA for Parameters,Proceedings of the 2006 IEEE international Conference on Mechatronics and Automation June
25-28[C],2006,Luoyang,China.
3.王伟，张晶涛，柴天佑．PID 参数先进整定方法综述[J]．自动化学报，2000年第26卷第3期．
4.Kennedy J，Eberhart R．C，Shi Y．Swarm Intelligence [M].San Francisco：Morgan Kaufm an Publishers，2001
5.韩璐，直流电动机双闭环调速系统及其SIMULINK的仿真[J].船海工程，2008年第2期(总第153期).
6.陈贵敏，贾建援，韩琪．粒子群优化算法的惯性权值递减策略研究[J]．西安交通大学学报，2006年第40卷第1期.
7.李立礼，王强，王晓霄．改进粒子群优化算法在PID参数整定中的研究[J]．计算机工程与应用，2009年第45卷第25期.
8.陈伯时，电力拖动自动控制系统(第3版)[M].机械工业出版社，2004.
9.陈俊强俊，基于粒子群算法的PID控制研究[J].自动化与仪器仪表,2009年第3期
（总第143期）.
10.刘金琨，先进PID控制MATLAB仿真(第2版)[M].北京：电子工业出版社，2004.
11.张兴华，李纬，周刘喜．一种PID 参数整定的粒子群优化算法[J]．计算机工程与
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应用，2007年第43卷第33期.
12.孔敦卫，张勇，张建化．新型粒子群优化算法[J]．控制理论与应用,2008年第25卷第1期.
13.邵文，左信，张志新．改进粒子群优化算法及其在PID参数整定中的应用研究[J]．石油化丁自动化，2008年第44卷第5期．
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毕业设计文献综述
电气工程与自动化
直流电动机双闭环控制系统设计与分析
摘要：针对传统PID控制器参数的整定的缺陷，提出利用PSO算法对PID参数进行整定。在介绍PSO原理的基础上，总结了PID控制器参数的优化过程，通过PSO算法及其改进算法对工业上典型被控对象进行了PID参数的优化，与传统PID控制器参数整定方法进行了对比分析，表明PSO算法及其改进算法比传统工程控制方法能获得更好的动态性能指标，有更快的跟随性与鲁棒性。
关键词：双闭环控制系统粒子群优化算法PID控制器
1.背景
直流电动机因其特性能在比较广泛的范围内平滑调速，在工业控制中，其调速控制系统占据重要的地位，而直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是转速电流双闭环调速系统。现在直流调速理论发展得比较成熟,但要真正设计好一个双闭环调速系统并应用于工程设计却有一定的难度[1]
在工业过程工程中, PID控制器因结构简单、易于实现、鲁棒性好和性价比高等优点,所以得到广泛的应用。控制系统设计最主要的是对PID控制器参数的整定,根据各个被控过程的特性来确定PID控制器的参数大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类: 一是理论数值计算整定，它主要是通过所建立的数学模型,进行理论上的数值计算来确定控制器的参数。不过，这种方法所得到的计算数据必须在实际工程中进行进一步的调整和修改。二是工程整定方法，它主要根据工程经验,直接在控制系统的试验中进行。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整与完善[2]。
2.PID控制器参数整定的研究现状与发展趋势
PID控制器自产生以来一直是工业生产过程中应用最广，也是最成熟的控制器。目前绝大多数工业控制器都是PID控制器或其改进型。然而，在越来越复杂的工业过程中，常常难以确定其精确数学模型，无法从理论上准确设计PID控制器的相应参数。此外，在实际的生产现场中，由于控制过程十分复杂，具有高度的非线性性和时变性，而且存在噪音和负载干扰因素，传统PID参数设计方法往往整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性较差，难以
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满足对生产过程的控制性能和产品质量的要求。所以对PID 参数的选择，要同时考虑对象的数学模型和实时调节[3]。
目前存在许多传统的PID 参数整定方法，如经验整定法，临界比例法、飞升曲线法、衰减曲线法等等，虽然这些方法在实际控制中普遍使用，但是整定的控制性能指标不理想，随着智能计算科学的逐步兴起，智能优化算法在PID 参数整定中取得了传统优化算法无法比拟的结果，如采用蚁群算法、遗传算法进行参数寻优取得了较好的结果，但是蚁群算法算法编程复杂，所以应用不广；遗传算法存在早熟、参数依赖性强的缺点[4]。
粒子群算法（PSO ）是1995年由Kennedy 和Eberhart 共同提出的。PSO 算法来源于对鸟群的觅食过程中的迁徙和聚集的模拟，更确切地说是简单个体组成的群体与环境以及个体的互动行为，利用粒子间的互相作用发现复杂搜索区间的最优区域。PSO 算法具有计算快速收敛、不易陷入局部最优、所需参数少而且易于实现等特点，引起国际上相关领域众多学者的关注和研究[5]。
3.观点与主张
标准PSO 算法[6]的基本思想是模拟自然界生物的群体行为来构造的随机优化算法。设在D 维空间中，有m 个粒子组成一个群落，其中12(,,)i i i id X x x x =…,表示第i 个粒子在D 维空间的当前位置，第i 粒子的当前速度用12(,,)i i i id V v v v =…,表示；粒子i 所经历的最好位置称为best P ，记作12(,,)i i i id P p p p =…,，即个体最好位置；全局极值best g ，记为12(,,)g g g gd P p p p =…,，则PSO 算法的进化方程描述为：
11122()()()(),n n n n n n id id id id gd id v wv c rand p x c rand p x +=+-+- （1） 11,n n n id id id x x v ++=+ （2） 其中1()rand 和2()rand 表示为[0,1]范围内变化的随机数；1c 和2c 为加速度常数，用来调节每次迭代的步长，一般设置为2；n 为迭代次数；w 为惯性权重，起着调整算法局部和全局的搜索能力的作用；此外为了减少在进化过程中，粒子离开搜索空间的可能性，粒子的速度id v 被一个最大的速度max v 限制，即当前对粒子的加速导致其在某维的速度超过最大的速度max v ，则速度就被限制在max v 。其中最大速度取决于当前位置与最好位置之间区域的分辨率，如果最大速度太大，可能会飞过最优解，如果最大速度太小，又不能在局部好区间之外进行搜索。
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改进的PSO 优化算法：从标准粒子群算法可以看出，单个粒子在运动的过程中，不仅从自身个体行为中学习经验、获取信息，而且也从群体整体行为中学习经验获取信息，但是这一过程都是把最优个体作为学习对象。在标准粒子群算法中考虑学习群体中最差个体的失败经验。这样速度的更新公式就变更为按照个体极值、全局极值和个体最差值、全局最差值更新，使得粒子有更多的信息来调整自己的状态[7]。（1）和（2）更新公式如下式: 11122(()()()()),n n n n n n id id id id gd id v v c rand p x c rand p x λ+=+-+- (3)
11,n n n id id id x x v ++=+ （4）
PSO 算法及其改进的PSO 算法优化PID 参数的基本方式有两种，即离线计算和在线计算。当对象的数学模型已知且为线性定常系统时，用离线计算较好，但它与传统的参数整定方法一样，在确定参数后，整个动态控制过程中，其参数是不能变的，极大制约了PID 控制特性。在线计算在动态过程的每一步都进行PID 参数的寻优计算，使其具有专家PID 的控制特性。
4.总结
PSO 算法是一种新型的演化计算方法，其算法简单，参数较少，优化性能好。通过分析其优化的原理，给出了一种PSO 算法的改进策略，并将改进PSO 算法应用于PID 参数整定中，获得了良好的优化效果和很好的收敛性。与传统PID 参数整定方法相比，采用改进的PSO 算法对PID 参数进行整定，控制器的控制效果更佳[12]。
主要参考文献：
1.Chao ou,Weixing Lin,Comparison between PSO and GA for Parameters,Proceedings of the 2006 IEEE international Conference on Mechatronics and Automation June 25-28[C],2006,Luoyang,China.
2. 祁佳，罗琦，王德强，基于改进粒子群算法的PID 控制器参数整定[J].计算机与现代化,2009年第1期（总第161期）.
3.陈俊 强俊，基于粒子群算法的PID 控制研究[J].自动化与仪器仪表,2009年第3期（总第143期）.
4.王伟，张晶涛，柴天佑．PID 参数先进整定方法综述[J]．自动化学报，2000年第26卷第3期．
5.Kennedy J ，Eberhart R ．C ，Shi Y ．Swarm Intelligence [M].San Francisco ：Morgan Kaufm an Publishers ，2001
6.邵文，左信，张志新．改进粒子群优化算法及其在PID 参数整定中的应用研究[J]．石油
化丁自动化，2008年第44卷第5期
7.李立礼，王强，王晓霄．改进粒子群优化算法在PID参数整定中的研究[J]．计算机工程与应用，2009年第45卷第25期.
8.陈伯时，电力拖动自动控制系统(第3版)[M].机械工业出版社，2004.
9.刘金琨，先进PID控制MATLAB仿真(第2版)[M].北京：电子工业出版社，2004.
10.孔敦卫，张勇，张建化．新型粒子群优化算法[J]．控制理论与应用,2008年第25
卷第1期.
11.陈贵敏，贾建援，韩琪．粒子群优化算法的惯性权值递减策略研究[J]．西安交通大学学报，2006年第40卷第1期.
12.李军军吴燕翔甘世红刘雨青匡兴红许波桅，基于梯度PSO算法的PID参数整定，科学技术与工程，2009年第9期.
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本科毕业设计
（20 届）
直流电动机双闭环控制系统设计与分析
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摘要
【摘要】随着现代工业过程控制系统的日益复杂和控制精度的日益提高，传统的PID控制器参数整定的方法越来越不能满足工业需求，针对这一现况，提出了一种利用粒子群(PSO)优化算法对PID参数进行整定的改进策略。通过PSO算法和传统工程设计方法对直流双闭环调速系统的工业典型被控对象一系列的仿真分析、比较、研究，发现PSO算法能获得更好的动态性能指标，有更快的跟随性与更好的鲁棒性，体现了PSO算法在PID控制器参数整定的优越性。
【关键词】PSO算法；双闭环控制系统；PID；Simulink。
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Abstract
【ABSTRACT】With the increasing of the modern industrial process control systems's complexity and the controlling accuracy, the traditional PID controller parameter tuning has more and more difficulties to meet industrial demand.For this situation,a modified particle swarm optimization applied to PID parameter tuning is put forward.Through a series of simulation analysis, comparison, research on the industrial typical controlled object of a DC motor double closed loop speed regulation system by the PSO algorithm and the traditional engineering design method,it turns out that the PSO algorithm method obtains better dynamic performance indicators,faster following performance and better robustness.So the PSO algorithm method has better performace on the PID controller parameters tuning.
【KEYWORDS】PSO algorithm；double closed loop control system；PID；Simulink
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目录
1 绪论 (1)
1.1 选题背景 (1)
1.2 课题基本内容 (1)
1.2.1 研究对象 (1)
1.2.2 课题的主要工作 (2)
2 双闭环直流调速的工作原理 (3)
2.1 调速系统系统的性能指标 (3)
2.1.1 调速系统的稳态性能 (3)
2.1.2 调速系统的动态性能 (3)
2.2 开环调速系统 (3)
2.3 转速单闭环调速系统 (3)
2.4 转速电流双闭环直流调速系统 (4)
2.4.1 稳态结构图和静特性 (4)
2.4.2 双闭环调速系统的起动过程 (5)
2.4.3 双闭环调速系统的动态扰动性能分析 (6)
3 PID控制器 (8)
3.1 PID控制器简介 (8)
3.1.1 PID控制器的产生 (8)
3.1.2 PID整定的现状 (8)
3.2 PID控制器的基本原理 (8)
3.3 PID控制器参数对控制性能的影响 (9)
3.3.1 比例系数对系统性能的影响 (9)
3.3.2 积分时间对系统性能的影响 (9)
3.3.3 微分时间对系统性能的影响 (9)
4 粒子群优化(PSO)算法介绍 (10)
4.1 PSO算法的背景 (10)
4.2 基本PSO算法 (10)
4.3 PSO算法的设计步骤 (11)
4.4 PSO整定PID参数的目标函数选取 (11)
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4.5 改进PSO算法 (11)
5 双闭环直流调速设计与分析 (13)
5.1 双闭环直流调速设计 (13)
5.2 电流调节器的工程设计 (13)
5.2.1 电流环动态结构图的化简 (13)
5.2.2 电流调节器的设计 (14)
5.2.3 电流调节器的参数计算 (15)
5.3 转速调节器的工程设计 (16)
5.3.1 转速环动态结构图的化简 (16)
5.3.2 转速调节器的设计 (17)
5.3.3 转速调节器的参数计算 (18)
5.3.4 电流和转速调节器的参数 (20)
5.4 Matlab仿真双闭环控制系统模型 (20)
5.4.1 MALAB发展和介绍 (20)
5.4.2 Simulink简介 (20)
5.4.3 ASR限幅工程设计法双闭环控制系统仿真 (21)
5.4.4 ASR线性工程设计法双闭环控制系统仿真 (24)
5.4.5 PSO优化算法双闭环控制系统仿真 (28)
5.5 Matlab仿真双闭环控制系统结果分析 (32)
6 总结 (34)
参考文献 (35)
致谢 (36)
附录 (37)
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1 绪论
1.1 选题背景
直流电动机在起、制动等方面具有良好性能，能在比较广泛的范围内平滑调速，在现代工业控制中，其调速控制系统占有重要的地位，而转速电流双闭环调速系统在直流调速控制系统中是最典型一种调速系统。虽然直流调速理论现在理论上和实际上都比较成熟,但是设计好双闭环调速系统并应用于工程设计却不是易事。
以偏差比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器是最早提出的反馈控制器之一，在工业过程工程中, 因其结构简单、易于实现、鲁棒性好和性价比高等优点,所以得到广泛的应用。控制系统设计最主要的是对PID控制器参数进行整定,根据各个被控过程的特点来确定PID控制器的参数的取值。目前存在许多传统的PID参数整定方法，如飞升曲线法、临界比例法、经验整定法和衰减曲线法等等，虽然这些方法在实际的工业控制中普遍使用，但是整定的控制性能指标并非很理想，随着现代智能计算科学的迅速发展，在PID参数整定中智能优化算法取得了传统优化算法无法比拟的结果，如采用蚁群算法、遗传算法进行参数寻优取得了较好的结果，但是蚁群算法算法编程复杂，所以应用不广；遗传算法存在早熟、参数依赖性强的缺点[1]。
粒子群算法(PSO)是1995年由Kennedy和Eberhart共同提出的。PSO算法来源于对鸟群的觅食过程中的迁徙和聚集的模拟，更确切地说是简单个体组成的群体与环境以及个体的互动行为，利用粒子间的互相作用寻求复杂搜索区间的最优区域。PSO算法具有计算快速收敛、所需参数少而且易于实现和不易陷入局部最优等优点，在国际上引起来人相关领域众多学者的关注和研究[2]。
1.2 课题基本内容
1.2.1 研究对象
本课题主要研究直流电动机双闭环控制系统设计与分析，并通过改进的粒子群优化算法(PSO)算法应用于双闭环PID调节控制的方法对系统进行设计和仿真。
双闭环调速控制系统具有转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别用来调节转速和电流, 两者实行嵌套连接, 并且都有输出限幅电路。由于双闭环调速系统的最重要被控量是转速,所以把转速环设置为外环, 把由电流环设置为内环。这样就构成了转速、电流双闭环系统。直流电动机双闭环控制系统原理见图1-1所示。
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图1-1 直流电动机双闭环控制系统原理
其中：ASR ——转速调节器 ACR ——电流调节器 TG ——测速发电机 TA ——电流
互感器 UPE ——电力电子变化器 *n U ——转速给定电压 n U ——转速反馈电压 *i U —
—电流给定电压 i U ——电流反馈电压
PSO 整定PID 控制器原理图如图1-2所示 PID 控制器PSO 优化算法
被控对象
图1-2 PSO-PID 控制器结构图
1.2.2 课题的主要工作
本课题主要需要解决以下问题
(1)要求在不同信噪比下比较控制的结果。如控制精度，过度过程时间，鲁棒性等性能差异。
(2)讨论各个参数的选择的要求及其对控制结果的影响。
(3)给出算法的具体步骤和流程图，并提供MATLAB 或Simulink 源程序及说明。
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2 双闭环直流调速的工作原理
2.1 调速系统系统的性能指标
2.1.1 调速系统的稳态性能
每台需要控制转速的设备，它的生产工艺对调速性能都有一定的要求。对于调速时，在最高转速和最低转速范围内，分有级无级调速；对于稳速时，要确保在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；在加、减速方面，起、制动频繁的设备要求加、减速迅速，不宜剧烈速度变化的设备则要求起、制动性能平稳。
为了进行定量分析，将前两项要求定义为调速范围和静差率。这两个指标都属于调速系统的稳态性能指标。
(1)调速范围: max min
n D n =，其中max n 和min n 指的是电动机额定负载时最高和最低转速； (2)静差率： 0
N n s n ?=，其中N n ?是指负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，0n 为理想空载的转速[4]。
2.1.2 调速系统的动态性能
动态性能指标可以通过生产工艺对控制系统动态性能的要求转换所得。跟随性能指标和抗绕性都属于能指标控制系统的动态性能指标。
(1)跟随性能指标：在给定信号()R t 的作用下，控制系统输出()C t 的变化可以通过跟随性能指标来描述。具体的指标主要包括：上升时间r t ，调节时间s t 和超调量σ。
(2)抗扰性能指标：此项性能指标表现为控制系统的抗扰动的能力，主要包括动态降落max C ?和恢复时间v t 。
2.2 开环调速系统
在开环调速系统中，调节控制电压可改变电动机的转速。如果负载的生产过程中的静差率要求不高，开环调速系统可以在一定范围内实现无级调速，然而，许多需要调速的设备经常对静差率有一定的要求，在负载扰动或者突变等情况下要保证静差率在一定的范围内；在这些情况下，开环调速系统常常不能很好的满足要求[4]。
2.3 转速单闭环调速系统
转速单闭环控制系统是一种最简单的反馈控制系统，具有反馈控制系统的一般规律，采用转速负反馈的闭环调速系统结构图如图2-1所示；转速单闭环控制系统是按照转速的偏差来进行控制，只要转速出现偏差，它就会自动纠正转速偏差，所以说引进转速闭环可以让调速系统大幅度的减少转速降落 [4] 。
图2-1 采用转速负反馈的闭环调速系统
2.4 转速电流双闭环直流调速系统
在保证系统稳定的前提下，采用PI调节器的转速单闭环的调速系统的确可以实现转速无静差。但是，如果控制系统需要比较高的的动态性指标，如：突加负载时动态转速降小、实现快速起制动等等，转速单闭环的调速系统就会显现出它的不足。然而，转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题[4]。
2.4.1 稳态结构图和静特性
双闭环调速系统稳态结构图如图3-2所示。
图2-2 双闭环直流调速系统的稳态结构图
其中α——转速反馈系数β——电流反馈系数s K——电力电子变换器的电压放大系数
限幅作用存在两种情况：
(1)饱和——输出值达到限幅值，当调节器饱和时，输出就恒定不变，输出不再随输入量的变化而变化，一直到出现反向的输入信号使调节器退出饱和；
III
III (2)不饱和——输出值没有达到限幅值，当调节器不饱和时，由于 PI 的作用，在稳态时输入偏差电压一直是零[4]。
实际工作中，电流调节器饱和状态一般是不会达到的。所以，对于控制系统的静特性来说，只存在转速调节器的饱和与不饱和。双闭环直流调速系统的静特性如图3-3所示，
图2-3 双闭环直流调速系统的静特性
其中0n ——理想空载转速 dm I ——最大电流。
转速调节器不饱和：
**n n 0i i d ,U U n n U U I ααβ===== (2-1)
由(2-1)第一个关系式可得*n 0U n n α
=
=，描述的是图2-3双闭环直流调速系统静特性的RS 段。 此时，由于ASR 不饱和，*
i U <*im U ，又由第二个关系式可得，d I 特性从理想空载状态的d I =0一直到d I =dm I ，而dm I 通常都是大于额定电流dm I 。这就是系统静特性的运行阶段，它表现为水平特性。 转速调节器饱和：ASR 输出值上升到限幅值*im U ，此时，转速环为开环状态，控制系统不再受转速的变化而产生影响。双闭环直流调速系统就转变成电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时*im d dm U I I β== ，描述的双闭环直流调速系统静特性是图2-3中的ST 段，它表 现为垂直特性。其中，最大电流dm I 是根据拖动系统允许的最大加速度以及电机的容许过载 能力来选定。它只适用于0n n <，因为当0n n >时，*n n U U >，这样，ASR 就退出了饱和状 态[4]。 如图所示是JN6201集成电路鸡蛋孵化温度控制器电路图，根据该原理图完成1~3题。 1.该电路图作为控制系统的控制（处理）部分是IC JN6201，当JN6201集成输出9脚长时间处于高电平，三极管V2处于截止状态，继电器释放，电热丝通电加热。 2.安装好调试时，先将温度传感器Rt1放入37℃水中，调整电位器Rp1，使继电器触点J-2吸合，再将温度传感器Rt2放入39℃水中，调整Rp2，使继电器触点J-2释放。 3.调试时发现，不管电位器Rp1和Rp2怎么调，继电器J 始终吸合，检查电路元器件安装和接线都正确，用万用表测三极管V2集电极电位，在不同的调试状态分别为2.8V 和0V ，可知电路发生故障的原因是（ B ） A.二极管V6内部断路 B.三极管V3内部击穿（短路） C.电阻R4与三极管V3基极虚焊 D.继电器线圈内部短路 如图所示是运算放大器鸡蛋孵化温度控制器电路图，根据该原理完成4~6题。 4.该电路作为控制系统的输出部分是继电器J 、电热丝等，当电路中集成运放2脚的电位低于3脚的电位，三极管V3处于饱和状态，继电器J 吸合，电热丝通电加热。 上限 V2饱和导通时候Uce 电压降0.2V ，所以留下来给集电极2.8V ，截止时候0V 5.安装好后调试时，将温度传感器Rt 放入39℃水中，调R4，使电压U2=U3，集成运放输出端6脚的电压为0V ，电路实现39℃单点温度控制。 6.调试时发现，将温度传感器Rt 放入高于39℃水中，继电器吸合；将温度传感器Rt 放入低于39℃水中，继电器释放，出现该故障现象的原因可能是（ A ） A.集成运放2脚与3脚接反 B.二极管V4接反 C.电阻R2断路 D.三极管V3损坏 如图所示是晶体管组成的水箱闭环电子控制系统电路，根据该原理图完成7~9题。 7.该电路作为控制系统被控对象的是水箱内的水，水箱的水位从a 点降到b 点的过程中，三极管V1处于饱和状态，三极管V2处于截止状态，继电器触点J-1处于吸合状态。 8.安装调试时，将三个水位探头按图中的高低放入空玻璃杯中，如果电路正常，电路通电后，继电器J 吸合；向玻璃杯中加水，到达a 点时，继电器J 释放；接着将玻璃杯中的水排出，水位降到b 点以上时，继电器J 释放；水位降到b 点以下时，继电器J 吸合。 9.调试时发现，玻璃杯中的水位在b 点以下时，继电器J 就吸合；水位加到b 点，继电器J 就释放。出现该故障现象的原因是（ D ） A.继电器J 没用 B.三极管V1损坏 C.二极管V3接反 D.电路没接J-1触点，b 点直接接到了电阻R1 如图所示是555集成电路组成的水箱水位闭环电子控制系统电路图， (第4~6题) (第7~9题) R4 10k ?R5 4.7k R3 4.7k 课程设计(综合实验)报告 ( 2011-- 2012 年度第二学期) 名称：过程计算机控制系统 题目：DDC单回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真院系：控制与计算机工程学院 班级： 学号： 学生： 指导教师：朱耀春 设计周数：一周 成绩： 日期：2012 年 6 月20 日 一、 课程设计的目的与要求 1.设计目的 在计算机控制系统课程学习的基础上，加强学生的实际动手能力，通过对DDC 直接数字闭环控制的仿真加深对课程容的理解。 2.设计要求 本次课程设计通过多人合作完成DDC 直接数字闭环控制的仿真设计，学会A/D 、D/A 转换模块的使用。通过手动编写PID 运算式掌握数字PID 控制器的设计与整定的方法，并做出模拟计算机对象飞升特性曲线，熟练掌握DDC 单回路控制程序编制及调试方法。 二、 设计正文 1.设计思想 本课程设计利用Turboc2.1开发环境，通过手动编写C 语言程序完成PID 控制器的设计，A/D 、D/A 转换，绘出PID 阶跃响应曲线与被控对象动态特性曲线。整个设计程序模块包含了PID 配置模块，PLCD-780定时采样、定时输出模块，PID 手/自动切换模块（按键控制）及绘图显示模块。 设计中，通过设定合理的PID 参数，控制PLCD-780完成模拟计算机所搭接二阶惯性环节数据的采集，并通过绘图程序获得对象阶跃响应曲线。 2. 设计步骤 （1）前期准备工作 (1.1)配备微型计算机一台，系统软件Windows 98或DOS (不使用无直接I/O 能力的NT 或XP 系统), 装Turbo C 2.0/3.0集成开发环境软件； (1.2)配备模拟计算机一台(XMN-1型), 通用数据采集控制板一块（PLCD-780型）； (1.3)复习Turboc2.0并参照说明书学习PLCD-780的使用 （2） PID 的设计 (2.1)PID 的离散化 理想微分PID 算法的传递函数形式为：??? ? ??++=s T s T K s G d i p 11)( 采用向后差分法对上式进行离散，得出其差分方程形式为： u[k]=u[k-1]+q0*e[2]+q1*e[1]+q2*e[0]; 其中各项系数为： q0=kp*(1+T/Ti+Td/T); q1=-kp*(1+2*Td/T); 闭环控制系统的干扰与反馈 教材：（凤凰国标教材）普通高中课程标准实验教科书通用技术（必修2） 文档内容：闭环控制系统的干扰与反馈 章节：第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的干扰与反馈 课时：第1课时 作者：叶朝晖（海南省海南中学） 一、教学目标 1. 知识与技能目标 （1）能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素，并作分析。 （2）熟悉闭环控系统中反馈环节的作用。 （3）能识读和画出简单的闭环控制系统的方框图，理解其中的控制器、执行器的作用。 2. 过程与方法目标 （1）通过课堂小试验亲身体验“反馈”的作用。 （2）通过典型闭环控制系统的分析，熟悉闭环控制系统的基本组成及工作过程。 （3）逐步形成理解和分析闭环控制系统的一般方法，学会使用逆推法分析问题。 3. 情感态度与价值观目标 （1）通过“神奇”的自动控制装置，感受科技的魅力，形成和保持探究控制系统的兴趣与热情。 （2）通过对闭环控制系统的探究，形成勇于探索敢于创造优良品质。 二、教学重点 本节学习重点偏重于对闭环控制系统反馈环节的作用的体会，及学会用系统框图来帮助分析和理解闭环控制系统。 三、教学难点 分析闭环控系统的基本组成及工作过程 四、教学方法 演示法、逆推分析法、游戏法 五、设计思想： 1. 教材分析 本节是“控制与设计”第三节的内容，其内容包括“干扰因素”、“反馈”、“功能模拟方法”和“黑箱方法”。闭环控制系统相对于开环控系统要复杂些，但闭环控制系统因其控制准，自动化程度高，有着“神奇”的控制效果，对学生来说也同样具有一定的吸引力，成为学生进一步学习的动力。本节学习重点偏重于对闭环控制系统反馈环节的作用的体会，及学会用系统框图来帮助分析和理解闭环控制系统。 《闭环控制系统》教案分析 一.开环和闭环控制系统的定义分析 二.开环和闭环控制系统的区别及判断方法 三.闭环控制系统的方框结构及与实际系统的对应关系 四.闭环控制系统的各部分结构的基本概念的归纳总结 五.开闭环,自动和手动控制系统的总结 问题研讨1: .人开电灯的控制方式 问提研讨:人打开电灯开关后,不看电灯是否亮不亮,这是一种什么控制? 人打开电灯开关后,要看电灯是否亮不亮,如不亮,要多次开关电灯,甚至检修开关,直到开亮为止,这是一种什么控制? 2.人开汽车 人手握方向盘开汽车是什么控制方式? 人两手离开方向盘去发手机短信,有拐弯时,或有情况时手再扶方向盘,这种开汽车方式是什么控制方式? 问提研讨2: 自动控制系统是否一定是闭环控制? 举例说明之 按照控制的总定义,是否有人参加的控制 系统一定是闭环控制系统? 开环控制系统一定没有检测,反馈回路吗? 水箱水位自动控制系统中,被控对像是水箱吗? 现在有些教材中出现“输出量”的概念,它是什么?它等于被控量吗? 一.开环和闭环控制系统的定义分析 例1. 飞镖（图4-7）是同学们都很熟悉的运动。我们在投掷飞镖时，首先会在脑子里确定一个希望射中的目标，然后再根据场地的情况及自己的经验，控制手臂的投掷动作，将飞镖掷出。显然，在飞镖掷出后，飞镖的飞行就不可控制了，能否命中目标，取决于飞镖在投掷时的初始状态，即投掷者的投掷水平。 实际上，如果我们希望某一事物按照自己的意愿发展，就要对其进行干预，这种根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制。 二.开环和闭环控制系统的区别及判断方法 开、闭环控制的定义 能将控制的结果反馈回来与希望值进行比较，并根据它们的误差及时调整控制的系统，称为闭环控制系统。而不是将控制的结果反馈回来影响控制作用的系统，称为开环控制系统。系统中将控制的结果反馈回来的部分，称为反馈环节。闭环控制系统都有反馈环节，所以有时又称闭环控制系统为 单闭环控制系统设计及仿真 班级电信2014 姓名张庆迎 学号142081100079 摘要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。 关键词直流电机直流调速系统速度调节器电流调节器双闭环系统 一、单闭环直流调速系统的工作原理 1、单闭环直流调速系统的介绍 单闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。 2、双闭环直流调速系统的介绍 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，如图1—1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称 双闭环控制系统设计 课程设计报告 电力拖动自动控制系统课程设计 题目：双闭环控制系统设计学生姓名：董长青专业：电气自动化技术专业班级： Z070303 学号： Z07030330 指导教师：姬宣德 日期：2010年03月10日 随着现代工业的发展，在调速领域中，双闭环控制的理念已经得 到了越来越广泛的认同与应用。相对于单闭环系统中不能随心所欲地 控制电流和转矩的动态过程的弱点。双闭环控制则很好的弥补了他的 这一缺陷。 双闭环控制可实现转速和电流两种负反馈的分别作用，从而获得 良好的静，动态性能。其良好的动态性能主要体现在其抗负载扰动以 及抗电网电压扰动之上。正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有 必要对其最优化设计进行深入的探讨和研究。本次课程设计目的就是 旨在对双闭环进行最优化的设计。 Summary With the development of modern industry, in the speed area, the concept of dual-loop control has been increasingly widespread recognition and application. Relative to the single closed-loop system can not arbitrarily control the dynamic process of current and torque weakness. Double closed-loop control is very good to make up for this shortcoming of his. Double-loop speed and current control can achieve the difference of two negative feedback effect, thus get a good static and dynamic performance. The good dynamic performance mainly reflected in its anti-disturbance and anti-grid load over voltage disturbance. Precisely because of the many advantages of Double Closed Loop, so here it is necessary to optimize the design of its depth discussion and study. This course is designed to designed to optimize the double loop design. 一．课程设计设计说明书4 1.1系统性能指标 1.2整流电路4 1.3触发电路的选择和同步5 1.4双闭环控制电路的工作原理6 二. 设计计算书7 2.1整流装置的计算7 2.1.1变压器副方电压7 2.1.2变压器和晶闸管的容量8 2.1.3平波电抗器的电感量8 2.1.4晶闸管保护电路9 2.2 控制电路的计算10 本科生课程设计（论文）工业生产过程控制课程设计（论文）题目：液位闭环反馈控制系统设计 院（系）：电气工程学院 专业班级：自动化093 学号： 0 学生姓名： 指导教师：（签字） 起止时间： 12.6.25--12.7.6 本科生课程设计（论文） 1 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号 090302091 学生姓名 专业班级 自动化093 设计题 目 液位闭环反馈控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能 设计一个液位闭环反馈控制系统 。 在工业生产中经常要对储罐、反应器等密闭容器的液位进行控制，为了能够精确控制液 位高度，保证正常生产，要求设计液位闭环反馈控制系统，能抑制流量波动，且系统无余差。 设计任务及要求 1、确定控制方案并绘制工艺P&ID 图、系统框图； 2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数； 3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式； 4、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图； 5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。 技术参数 测量范围：20～100cm ； 控制精度：±0.5cm ； 控制液位：80cm ； 最大偏差：1cm ； 工作计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天，分散完成） 2、确定系统的控制方案，绘制P&ID 图、系统框图。（1天，实验室完成） 3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。（2天，分散完成） 4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（实验室1天） 5、仿真分析或实验测试、答辩。（3天，实验室完成） 6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 目录 摘要 0 双闭环流量比值控制系统设计 (1) 1、双闭环比值控制系统的原理与结构组成 (1) 2、课程设计使用的设备 (1) 3、比值系数的计算 (2) 4、设备投运步骤以及实验曲线结果 (2) 5、总结 (6) 6、参考文献 (6) 摘要 在许多生产过程中，工艺上常常要求两种或者两种以上的物料保持一定的比例关系。一旦比例失调，会影响生产的正常进行，造成产量下降，质量降低，能源浪费，环境污染，甚至造成安全事故。 这种自动保持两个或多个参数间比例关系的控制系统就是比值控制所要完成的任务。因此比值控制系统就是用于实现两个或两个以上物料保持一定比例关系的控制系统。需要保持一定比例关系的两种物料中，总有一种起主导作用的物料，称这种物料为主物料，另一种物料在控制过程中跟随主物料的变化而成比例的变化，这种无物料成为从物料。由于主，从物料均为流量参数，又分别成为主物料流量和从物料流量，通常，主物料流量用Q1表示，从物料流量用Q2表示，工艺上要求两物料的比值为K，即K=Q2/Q1.在比值控制精度要求较高而主物料Q1又允许控制的场合，很自然就想到对主物料也进行定值控制，这就形成了双闭环比值系统。在双闭环比值系统中，当主物料Q1受到干扰发生波动时，主物料回路对其进行定值控制，使从物料始终稳定在设定值附近，因此主物料回路是一个定值控制系统，而从物料回路是一个随动控制系统，主物料发生变化时，通过比值器的输出，使从物料回路控制器的设定值也发生变化，从而使从物料随着主物料的变化而成比例的变化。当从物料Q2受到干扰时，和单闭环控制系统一样，经过从物料回路的调节，使从物料稳定在比值器输出值上。双闭环比值控制系统由于实现了主物料Q1的定值控制，克服了干扰的影响，使主物料Q1变化平稳。当然与之成比例的从物料Q2变化也将比较平稳。根据双闭环比值控制系统的优点，它常用在主物料干扰比较频繁的场合，工艺上经常需要升降负荷的场合以及工艺上不允许负荷有较大波动的场合。本实验通过了解双闭环比值控制系统的原理与结构组成，进行双闭环流量比值控制系统设计（包括仪表选型）以及进行比值系数的计算，最后基于WinCC进行监控界面设计，给出不同参数下的响应曲线，根据扰动作用时，记录系统输出的响应曲线。 目录 第1章概述 (1) 1.1 转速单闭环调速系统设计意义 (1) 1.2 转速单闭环调速系统的设计要求 (1) 第2章原系统的动态结构图及稳定性的分析 (2) 2.1 原系统的工作原理 (2) 2.2 原系统的动态结构图 (3) 2.3 闭环系统的开环放大系数的判断 (3) 2.4 相角稳定裕度γ的判断 (4) 第3章调节器的设计及仿真 (5) 3.1 调节器的选择 (5) 3.2 PI调节器的设计 (5) 3.3 校正后系统的动态结构图 (8) 3.4 系统的仿真结构图及测试结果 (8) 第4章课程设计总结 (9) 参考文献 (10) 转速单闭环调速系统设计 1、概述 1.1 转速单闭环调速系统设计意义 为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力,但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求,可利用速度负反馈提高稳态精度,而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的,为了消除系统的静差,可用积分调节器代替比例调节器. 反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该量的负 反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。对调速系统来说，若想提高静态指标， 就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要 想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方发就是采用转速负反馈构成转速闭环 调节系统。 1.2 转速单闭环调速系统的设计要求 n=1500rpm,U N=220V,I N=17.5A,Ra=1.25Ω。主回路总电阻电动机参数：P N=3KW, N R=2.5Ω，电磁时间常数T l=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数α=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 设计要求： （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 设计任务： （1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计； 控制系统课程设计报告书 系部名称： 学生姓名： 专业名称： 班级： 时间： 直流电机的闭环调速系统设计 一、设计要求： 利用PID 控制器、光电传感器及F/V 转换器设计直流电机的闭环调速系统。 要求：给定直流小电机，设计模拟PID 控制器，利用传感器检测速度（ST15、 LM331），搭建成闭环控制电机转速系统。 （1）阶跃响应的超调量：σ%≤20%； （2）阶跃响应的调节时间：t s =1s ±0.02s 。 二、设计方案分析 1、方案设计： 器材：电路板、PID 控制器、小型直流电机、LM331、ST151各一片 电阻、电容若干、导线、LM324若干 原理框图： 输入 输出 注： 1.输入电源信号与反映电机转速变化的电压信号的反馈调节电压信号，作为共同输入，通过PID 控制器调节，驱动电机工作。 2.电动机转动叶轮，叶轮通过转动在光电传感器处产生脉冲信号并输入给F/V 转换器；F/V 转换器将频率信号转换为电压信号，将此作为反馈信号然后通过PID 控制器对输出电压进行校正。 2、背景知识介绍： 减 PID 控制器 直流电机 F/V 转换器Lm331 光电传感器ST151 （1）选题背景及意义 在电气时代的今天，电动机一直在现代化生产和生活中起着十分的重要的作用。无论是在农业生产、交通运输、国防、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常的生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种，简单控制是只对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是只对电动机的转角、转矩，电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前对直流的简单控制的应用很多，但是，随着现代步伐的迈进，人们对自动化的要求越来越高，使直流电机的PID控制控制逐渐成为主流，实现对电机转速的精确控制。 （2）系统校正 系统校正，就是在系统中加入一些参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生改变，从而满足给定的各项性能指标，在系统校正中，当系统的性能指标以单位阶跃响应的峰值时间、调节时间、超调量、阻尼比、稳态误差等时域特征量给出时，一般采用的是根轨迹校正法，实验所用软件为MATLAB、EWB软件，使用MATLAB软件绘制系统校正前后的根轨迹图，系统的闭环阶跃响应，观察系统校正前后的各项性能指标是否满足系统所需性能指标，在Simulink界面下或使用EWB软件对校正前后的系统进行仿真运行，观察系统输出曲线的变化。 在控制系统设计中，常用的校正方法为串联校正和反馈校正，串联校正比反馈校正设计简单，也比较容易对信号进行各种必要形式的转换，特别在直流控制系统中，由于传递直流电压信号，适合采用串联校正。在确定校正装置的具体形式时，根据校正装置所需提供的控制规律选择相应的元件，常常采用比例、微分、积分控制规律，或基本规律的组合，如比例微分、比例积分等。而本次课题选择的正是PID即比例积分微分控制器。 三、硬件设计： 总体仿真电路： 控制工程学院课程实验报告： 现代控制理论课程实验报告 实验题目：状态反馈控制系统的设计与实现 班级自动化（工控）姓名曾晓波学号2009021178 日期2013-1-6 一、实验目的及内容 实验目的： （1 ）掌握极点配置定理及状态反馈控制系统的设计方法； （2 ）比较输出反馈与状态反馈的优缺点； （3 ）训练程序设计能力。 实验内容： （1 ）针对一个二阶系统，分别设计输出反馈和状态反馈控制器；（2 ）分别测出两种情况下系统的阶跃响应； （3 ）对实验结果进行对比分析。 二、实验设备 装有的机一台 三、实验原理 一个控制系统的性能是否满足要求，要通过解的特征来评价，也就是说当传递函数是有理函数时，它的全部信息几乎都集中表现为它的极点、零点及传递函数。因此若被控系统完全能控，则可以通过状态反馈任意配置极点，使被控系统达到期望的时域性能指标。 闭环系统性能与闭环极点（特征值）密切相关，在状态空间的分析和综合中，除了利用输出反馈以外，主要利用状态反馈来配置极点，它能提供更多的校正信息。 (一) 利用状态反馈任意配置闭环极点的充要条件是：受控系统可控。 设（ ）受控系统的动态方程为 状态向量x 通过状态反馈矩阵k ，负反馈至系统参考输入v ，于是有 这样便构成了状态反馈系统，其结构图如图1-1所示 图1-1 状态反馈系统结构图 状态反馈系统动态方程为 闭环系统特征多项式为 ()()f I A bk λλ=-+ （1-2） 设闭环系统的期望极点为1λ，2λ，…，n λ，则系统的期望特征多项式 x b v u 1 s C A k - y x & 为 )())(()(21*n f λλλλλλλ---=Λ （1-3） 欲使闭环系统的极点取期望值，只需令式（1-2）和式（1-3）相等，即 )()(* λλf f = （1-4） 利用式（1-4）左右两边对应λ的同次项系数相等，可以求出状态反馈矩阵 []n k k k Λ 2 1 =k (二) 对线性定常连续系统∑(),若取系统的输出变量来构成反馈,则所得到的闭环控制系统称为输出反馈控制系统。输出反馈控制系统的结构图如图所示。 开环系统状态空间模型和输出反馈律分别为 H 为r ＊m 维的实矩阵,称为输出反馈矩阵。 则可得如下输出反馈闭环控制系统的状态空间模型: 输出反馈闭环系统可简记为H(),其传递函数阵为: (s)()-1B B ? A C H y - x u v + + + x ' 开环系统 A B C H '=+?? =?=-+x x u y x u y v ()A BHC B C '=-+??=? x x v y x 闭环控制系统的干扰与反馈教学设计 1．教材分析及教学设计介绍 本节是在学生对控制系统有一定认识的基础上具体的阐述闭环控制系统的干扰与反馈的辨证关系，是全书的重点章节，也是控制系统的具体应用章节章节。为以后学习的控制系统的设计等内容奠定了理论基础。 【教学目标】 知识目标：了解闭环控制系统的干扰与反馈的各方面因素 能力目标：能结合身边的案例找出干扰的因素，并作出分析。 情感目标：培养学生对一个控制系统的理解能力和分析能力，并能从物性到理性过渡，能对学习与人生产生干扰影响的因素进行分析。 【重点与难点】 重点：学会分析干扰在控制系统的影响，反馈在技术发明和革新中的作用。 难点：干扰系统的全面分析，反馈环节的使用。 【教法设计】 本课通过“案例分析法”，采用启发式、讲述式、分析等多种教学方式，以课程目标为依据，努力提高教学的生动性和逻辑性，激发学生的学习兴趣，提高学生的注意力，使学生能够自己建构出本课的知识点。 【学法设计】 本节课的教学对象是刚刚对控制系统有了初步的了解学生，对控制的干扰还蒙着一层神秘的面纱。好奇心较强，思维活跃，虽然他们的生活经验不是很丰富，但根据他们现有的认知水平和认知风格还是很容易接受本节课的内容。 本课教给学生的学法是“分析案例——合作探究——得出结论——思维扩展”。【教学资源准备】 教学相关资料的准备，包括文本（骑自行车的干扰分析，学生生活经验）、图片（各种自行车图片、影响因素图片）；教师演示教学课件。课件容纳一些图片和例子说明。 图片可以从网上下载，也可以把书中照片用数码相机拍摄，通过电脑处理后使用。【教学策略】 根据本课的教学目标，我采用教师讲授，媒体演示，任务驱动，学生自主思考、合作讨论等多种教学方法相结合的策略。 2．教案 【创设情境、导入新课】 做一个简单的调查：每天上学骑自行车的感受？乘车的感受等？ 在送乘飞机出行时，为什么不能说祝你一路顺风，（活跃课堂气氛，激发学生的求知欲。） 大部分同学应该是有风的影响，从而联系到本节课的内容：干扰因素，同时乘车也有干扰，而且不论是骑自行车还是乘车干扰因素不止一个，有主要的，有次要的。 这节课我们就研究研究闭环控制系统的干扰与反馈。 【新课教学】 1、干扰因素 本环节通过对二个典型的案例的分析，由学生归纳闭环控制系统的干扰与反馈。再联系实际生活，由学生列举生活中的例子，证明他们的观点。 案例一：逆风中骑自行车。 案例二：飞机飞行。 结论：在控制系统中，干扰因素一定有，可能有一个，也可能有若干个 案例三：战士在大风大雨中进行射击练习。 课程设计报告 课程课程设计 课题双闭环控制系统设计 班级 姓名 学号 目录 第1章双闭环系统分析.................................................................................. 错误!未定义书签。 系统介绍.................................................................................................... 错误!未定义书签。 系统原理.................................................................................................... 错误!未定义书签。 双闭环的优点............................................................................................ 错误!未定义书签。第2章系统参数设计...................................................................................... 错误!未定义书签。 电流调节器的设计.................................................................................... 错误!未定义书签。 时间参数选择.................................................................................... 错误!未定义书签。 计算电流调节参数............................................................................ 错误!未定义书签。 校验近似条件.................................................................................... 错误!未定义书签。 转速调节器的设计.................................................................................... 错误!未定义书签。 电流环等效时间常数：.................................................................... 错误!未定义书签。 转速环截止频率为............................................................................ 错误!未定义书签。 计算控制器的电阻电容值................................................................ 错误!未定义书签。第3章仿真模块.............................................................................................. 错误!未定义书签。 电流环模块................................................................................................ 错误!未定义书签。 转速环模块................................................................................................ 错误!未定义书签。第4章仿真结果.............................................................................................. 错误!未定义书签。 电流环仿真结果........................................................................................ 错误!未定义书签。 转速环仿真结果........................................................................................ 错误!未定义书签。 稳定性指标的分析.................................................................................... 错误!未定义书签。 电流环的稳定性................................................................................ 错误!未定义书签。 转速环的稳定性................................................................................ 错误!未定义书签。结论.................................................................................................................... 错误!未定义书签。参考文献............................................................................................................ 错误!未定义书签。 目录 第1章实验装置介绍 (1) 1.1对象系统组成 (1) 1．2 对象系统主要特点 (2) 第2章系统的方案设计 (3) 2.1硬件设计 (5) 2.2软件设计 (6) 第3章组态王软件设计 (10) 3.1组态王软件介绍 (10) 3.2使用组态王 (11) 3. 3 创建组态画面 (14) 3. 4 动画连接 (18) 第4章系统中的问题和解决方案 (22) 4.1控制规律的确定 (22) 4.2调节器参数的整定方法 (23) 总结 (27) 参考文献 (28) 第1章实验装置介绍 1.1 对象系统组成 （1）过程控制实验对象系统 实验对象系统包含有：不锈钢储水箱；上、中、下三个串接有机玻璃圆筒型水箱；三相4.5kw电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加热筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）和铝塑盘管组成。 系统动力系统两套：一套由三相（380V交流）不锈钢磁力驱动泵、电动调节阀、交流电磁阀、涡轮流量计等组成；另一套由日本三菱变频器、三相不锈钢磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计等组成。 整套对象系统完全由不锈钢材料制造，包括对象框架、管道、底板、甚至小到每一颗紧固螺钉。如图1-1 （2）对象系统中的各类检测变送及执行装置 扩散硅压力变送器三只：分别检测上水箱、中水箱、下水箱液位； 涡轮流量计三只：分别检测两条动力支路及盘管出水口的流量； Pt100热电阻温度传感器六只：分别用来检测锅炉内胆、锅炉夹套、盘管（三只）及上水箱出水口水温； 控制模块：包括电磁阀、电动调节阀各一个； 三相380V不锈钢磁力驱动泵、三相220V不锈钢磁力驱动泵； 1．2 对象系统主要特点 （1）被调参数囊括了流量、压力、液位、温度四大热工参数； （2）执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器等电力拖动类执行器； （3）系统除了能改变调节器的设定值作阶跃扰动外，还可在对象中通过电磁阀和手操作阀制造各种扰动； （4）一个被调参数可用不同的动力源、不同的执行器和不同的工艺线路下可演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣； （5）能进行多变量控制系统及特定的过程控制系统实验。 9.1 概述 9.2 系统振荡原理 9 .3误差放大器幅频特性曲线的设计 、零点和极点 误差放大器的传递函数、 9 .4 误差放大器的传递函数 9.5 零、极点频率引起的增益斜率变化规则 9.6 含有单一零点和极点的误差放大器传递函数的推导 、极点位置计算它的相位延迟9.7 根据II型误差放大器的零 型误差放大器的零、 9.8 输出电容含有ESR的LC滤波器的相位延迟 型误差放大器） ） 设计实例（ 9.9 设计实例 （II型误差放大器 9.10 III 型误差放大器的使用及其传递函数 9.11 III 型误差放大器传递函数的零极点位置引起的相位滞后 、传递函数和零极点位置型误差放大器的原理图、 9.12 III 型误差放大器的原理图 9.13 III 型误差放大器增益曲线的元件选择 （III 型误差放大器 ） 型误差放大器） 9.14 设计实例 设计实例（ 9.15 不连续模式下反激变换器的稳定 9.16 不连续模式下反激变换器的误差放大器传递函数 ） 不连续模式下反激变换器的稳定） 9.17 设计实例 （不连续模式下反激变换器的稳定 设计实例（ 9.18 本章小结 第九章闭环控制系统设计 9.1 引言 为什么反馈环路会振荡为什么反馈环路会振荡？？ 例：一个典型的正激变换器负 反馈系统 第十二章闭环控制系统设计 9.2 系统振荡原理 1、电路稳定的增益准则 电路稳定的第一个准则电路稳定的第一个准则：： 在开环增益为1的频率的频率（（剪切频 率、交越频率或截止频率交越频率或截止频率））处， 系统所有的总开环相位延迟必 须小于360o 。 相位裕量相位裕量？？ 实际的设计准则实际的设计准则：：至少 35～45o 的相位裕量 /***************************************** 文件名：ACC6-2-1.C 功能描述：实现温度闭环控制，采用位置式PID算法 *****************************************/ #include 5.2 闭环电子控制系统的设计与应用(1)
DDC单回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真课程设计报告
闭环控制系统的干扰与反馈教案
《闭环控制系统》教案分析
单闭环控制系统设计及仿真要点
双闭环控制系统设计
液位闭环反馈控制系统设计
双闭环流量比值控制系统设计
转速单闭环调速系统设计说明
(完整word版)直流电机的闭环调速系统设计
状态反馈控制系统的设计与实现
《闭环控制系统的干扰与反馈》教学设计
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单闭环流量定值控制系统的设计方案毕业设计
闭环控制系统设计
温度闭环控制系统的设计和实现 程序
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