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现代工程控制理论实验报告学生姓名：任课老师：学号：班级：目录实验十一PID参数优化和前馈控制 (3)1、PID参数优化 (3)1.1 实验目的 (3)1.2 PID优化方法 (3)2前馈控制 (18)2.1实验原理 (18)2.2实验步骤及内容 (20)2.3实验结论 (26)3、实验中遇到的问题 (27)3.1 PSO优化结果问题 (27)3.2如何寻找一个函数分析系统仿真过程中的扰动对系统输出的影响程度？ (30)实验十一 PID 参数优化和前馈控制本次实验分为PID 控制器的参数优化和前馈控制器分析两个部分。
1、PID 参数优化1.1 实验目的PID 控制器是控制领域中最为经典、应用最为广泛的一种控制器，但是现如今PID 参数的选择方法仍然没有一个广泛认同的标准。
本次实验通过实例讲解一种较为基本的PID 参数选择方法，以供大家参考。
1.2 PID 优化方法PID 参数选择主要分为两个部分，经验寻找和精准筛选。
1.2.1经验寻找在已知对象传递函数的条件下，寻找控制器参数的第一步的是经验寻找，即利用经验公式大致确定PID 三个参数的大致范围。
设PID 控制器的形式为1(1)p d i k T S T S++ ，确定kp 、Ti 、Td 参数的经验公式如下：（1）对于传递函数为(1)nK Ts +的系统选择PI 控制器，10.3p k nk=，0.5i T nT =。
（2）对于传函为s nke τ-（1+Ts ）的系统可以选择Zn 法选择PID 控制系数。
Zn 法的表格如下。
至于纯迟延系统PID 控制器的参数选择方法在实验十二继续阐述，在此不再累赘。
例： 针对传递函数为22（1+80s ）的对象设计PI 控制器，使系统最终能够稳定下来，且超调量小于5%，稳定时间小于500s 。
解： 根据经验公式可以大致确定一组PI 系数使系统能够稳定下来。
对应的程序如下。
得到kp=0.8333,Ti=80。
对应的控制器的传递函数为0.01040.8333s，在相应的控制器的作用下系统的输出曲线如下。
图b是比例增益p值与速度调节器asr的阶跃响应关系，图c是积分时间i值与速度调节器asr的阶跃响应关系。
一般的矢量变频器为了适应电动机低速和高速带载运行都有快速响应的情况，都设有两套pi参数值（即低速pi值和高速pi值），同时设有切换频率。
为了保证两套pi值的正常过渡，一些变频器还另外设置了两个切换频率，即切换频率1和切换频率2。
其控制原理是:低于切换频率1的频率动态响应pi值取a点的数值，高于切换频率2的频率动态响应pi值取b点的数值，位于切换频率1和切换频率2的频率动态响应pi值取两套pi参数的加权平均值。
如果pi参数设置不当，系统在快速启动到高速后，可能产生减速过电压故障（如果没有外接制动电阻或制动单元），这是由于在速度超调后的下降过程中系统再生制动状态能量回馈所致，因此合适的pi值对于系统的稳定性至关重要。
向左转|向右转在高性能的异步电动机矢量控制系统中，矢量变频器的转速的闭环控制环节一般是必不可少的。
通常，采用旋转编码器等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。
但是，由于速度传感器的安装给系统带来一些缺陷:系统的成本大大增加;精度越高的编码器价格也越贵;编码器在电动机轴上的安装存在同心度的问题，安装不当将影响测速的精度;安装在电动机轴上的体积增大，而且给电动机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电动机的简单坚固的特点;在恶劣的环境下，编码器工作的精度易受环境的影响。
而无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本;另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电动机与控制器的连线。
因此，无速度传感器的矢量控制方式在工程应用中变得非常必要。
无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。
实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了无速度传感器的矢量控制方式。
No.4Apr.2021第4期2021年4月组合机床与自动化加工技术Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Techninue文章编号：1001 -2265(2021)04 -0096 -04DOI : 10.13462/j. cnki. mmtamt. 2021.04. 023伺服系统转动惯量辨识及控制器PI 参数优化孙彦瑞，苏成志（长春理工大学机电工程学院，长春130000）摘要:在机器人运行时，为了使伺服电机在最优性能下达到目标速度、在工作过程中有着更强的抗 扰动能力，并避免出现震荡、谐振的状况，从而造成机器人运行时动态稳定性严重降低。
提出一种 基于非线性动态学习因子的粒子群优化算法，对普通粒子群优化算法进行改进。
该算法以伺服系 统控制模型中的速度控制器为核心，实时辨识负载转动惯量值，使伺服系统内部控制参数根据实际 工况调节；运用该辨识值，通过计算得到速度控制PI 参数值，并实时修正速度控制器PI 参数值。
MATLAB/SIMULINK 仿真结果表明，与传统的粒子群优化算法相比，无论在电机启动过程中、还是 负载扰动下，该方法都具有更快的响应速度、更高的控制精度以及更强的抗干扰能力。
关键词：转动惯量；非线性动态学习因子；粒子群优化算法；速度控制器PI 参数中图分类号:TH166 ；TG506 文献标识码:AServo System Inertia IdenhPcahon and Controller PI Parameter OptimizationSUN Yan-rui , SU Cheng-zhi(School of Mechanical and Electrical Engineering , Changchun Univvrsity of Science and Technolo/y , Changchun 130000, Ch/ia )Abstrach : During the operation of the robot , in order to make the servo motor achieve the target speed un der the optimal performance , and have stronger anti-disirbance ability in the working proces s , and to a void the prob —m of vibration and resonance , resulting in a serous reduction in the dynamic stability of the robot. The coniol model of servo motor is analyzed , and a particle swarm optimization algorithm based on nonlmear dynamic learning factor is proposed. The algorithm ties the speed conioller in the servo system coniol model as the core , and can identify the loadz moment of inertia in real time , so that the internaicontrol parameters of the s ervo system can be adjusted according to the acial condbions. By using the i dentification value , the PI parameter value of the speed control is obtained through calculation , and the PI parameter value of the speed conioller is corrected in real time. The results of MATLAB/SIMULINK sim ulation show that compared with the traditional pakWle swarm optimization algorithm , this method has fas ter response speed , higher control accuracy and stronger anti-interference ability , whether in the motorsha+hing p+oce s o+unde+hheload dishu+bance.Key wois : moment of inertia ； nonlinear dynamic learning factor ； particle swarm optimization tgoriim ； speed conho l e+PIpa+amehe+0引言机器人在运行时，每个轴的负载转动惯量与负载 扭矩随着机器人的姿态的变化而变化;伺服系统对负 载转动惯量的辨识精度、辨识快慢，决定着伺服系统运 行的稳定性、精确性与快速性。
pi控制器PI控制器摘要：本文介绍了PI控制器的原理、应用和参数调节方法。
PI控制器是一种经典的控制算法，常用于工业自动化系统中。
本文首先给出了PI控制器的工作原理，然后介绍了其在温度控制、速度控制和液位控制等领域的应用，最后详细讨论了如何根据系统的实际需求调节PI控制器的参数。
一、引言在工业自动化系统中，控制器扮演着非常重要的角色，它能够根据输入信号调整输出信号，使得受控对象达到期望的状态。
PI控制器是一种经典的控制算法，被广泛应用于各种自动控制系统中。
二、PI控制器的工作原理PI控制器是一种将比例增益和积分增益结合起来的控制算法，其输出信号的计算公式为：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t)dt其中，u(t)表示控制器的输出信号，Kp表示比例增益，Ki表示积分增益，e(t)表示输入信号与期望值的差异。
比例增益决定了控制器的响应速度，增大比例增益可以加速系统的响应速度，但过大的比例增益可能导致系统出现震荡或超调现象。
积分增益可以消除系统的稳态误差，增大积分增益能更好地消除稳态误差，但过大的积分增益可能导致系统的响应速度变慢或导致系统不稳定。
三、PI控制器的应用1. 温度控制在温度控制系统中，PI控制器可以根据温度传感器的反馈信号调节加热器的加热功率，使得被控对象的温度达到期望值。
比例增益可以控制加热功率的调整速度，积分增益可以消除温度偏差。
2. 速度控制在机械系统中，PI控制器可以根据速度传感器的反馈信号来调节电机的转速，使得机械系统的运行速度达到期望值。
比例增益可以控制电机的加速度，积分增益可以消除速度偏差。
3. 液位控制在液位控制系统中，PI控制器可以根据液位传感器的反馈信号来调节液位调节阀的开度，使得液位保持在期望的范围内。
比例增益可以控制开度的调整速度，积分增益可以消除液位偏差。
四、PI控制器的参数调节方法调节PI控制器的参数是一个复杂的过程，需要根据控制对象的实际情况进行实验和调试。
图b是比例增益p值与速度调节器asr的阶跃响应关系，图c是积分时间i值与速度调节器asr的阶跃响应关系。
一般的矢量变频器为了适应电动机低速和高速带载运行都有快速响应的情况，都设有两套pi参数值（即低速pi值和高速pi值），同时设有切换频率。
为了保证两套pi值的正常过渡，一些变频器还另外设置了两个切换频率，即切换频率1和切换频率2。
其控制原理是:低于切换频率1的频率动态响应pi值取a点的数值，高于切换频率2的频率动态响应pi值取b点的数值，位于切换频率1和切换频率2的频率动态响应pi值取两套pi参数的加权平均值。
如果pi参数设置不当，系统在快速启动到高速后，可能产生减速过电压故障（如果没有外接制动电阻或制动单元），这是由于在速度超调后的下降过程中系统再生制动状态能量回馈所致，因此合适的pi值对于系统的稳定性至关重要。
向左转|向右转在高性能的异步电动机矢量控制系统中，矢量变频器的转速的闭环控制环节一般是必不可少的。
通常，采用旋转编码器等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。
但是，由于速度传感器的安装给系统带来一些缺陷:系统的成本大大增加;精度越高的编码器价格也越贵;编码器在电动机轴上的安装存在同心度的问题，安装不当将影响测速的精度;安装在电动机轴上的体积增大，而且给电动机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电动机的简单坚固的特点;在恶劣的环境下，编码器工作的精度易受环境的影响。
而无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本;另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电动机与控制器的连线。
因此，无速度传感器的矢量控制方式在工程应用中变得非常必要。
无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。
实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了无速度传感器的矢量控制方式。
PID就是比例微积分调节，具体你可以参照自动控制课程里有详细介绍！正作用与反作用在温控里就是当正作用时是加热，反作用是制冷控制。
PID控制简介目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口﹑执行机构﹐加到被控系统上﹔控制系统的被控量﹐经过传感器﹐变送器﹐通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。
有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的PC系统等等。
可编程控制器(PLC)是利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与ControlNet相连，如Rockwell 的PLC-5等。
还有可以实现PID 控制功能的控制器，如Rockwell 的Logix产品系列，它可以直接与ControlNet相连，利用网络来实现其远程控制功能。
1、开环控制系统开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。
在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。
