自动控制原理实验报告

格式：docx
大小：921.06 KB
文档页数：29

实验课程名称实验项目名称

实验报告内容包含：实验目的、实验仪器、实验原理，实验内容、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果分析、实验思考题、实验心得。

【实验目的】

1、会用PID法设计球杆系统控制器;

2、设计并验证校正环节；

【实验仪器】

1、球杆系统；

2、计算机，Matlab平台；

【实验原理】

1、PID简介

PID的控制算法有很多，不同的算法各有其针对性。图 2.2.1，图2.2.2，图2.2.3给出了三种不同的算法。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID控制。模拟PID

控制系统原理框图如图3.2.1所示。

学生实验报告

自动控制原理

实验二PID校正

系统由模拟PID控制器和被控对象组成

技世列口理N慕笛甩用扭用期 m 雀莎先行pm控制也尉m

K 2JJ 蚀 HD (MUM 2

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值 rt与实际输出值yt构成控制偏差et

et 二rt -y t ( 2.2.1)

将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制,

故称PID控制器。其控制规律为

或写成传递函数的形式

=Kp 1+丄 +TDS (2.2.3)

I TiS 丿

式中：Kp——比例系数；T|——积分时间常数；TD ——微分时间常数在控制系统设计和仿真中，也将传递函数写成

式中：KP——比例系数；K|——积分系数；KD——微分系数。上式从根轨迹角度看，相当于给系统增加了一个位于原点的极点和两个位置可变的零点。

简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：

A、比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号 et ，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

B、积分环节：主要用于消除稳态误差，提高系统的型别。积分作用的强弱取决于积分

时间常数T|，T|越大，积分作用越弱，反之则越强。

C、微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之

前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

2、PID参数的确定方法

（1）根轨迹法确定PID参数

PID的数学模型可化为：

GS 邛DS Gs ©

相当于给系统增加了一个位于原点的开环极点和两个位置可变的开环零点，因此对于低 ut =Kp et ；0etdt 七 (222)

U S

ES KI

S KDS2 + KpS+K|

•KDS=- p ------------- S (2.2.4) 3

阶已知数学模型的系统，根据期望的性能指标可以采用根轨迹法确定 PID参数。

（2）频域法确定PID参数

对于已知频率特性曲线的系统，PID控制器相当于给频率特性曲线增加了一个积分环节和一个二阶微分环节，通过调整PID参数，可以改变PID控制器的频率特性，进而改变闭环系统的频率特性。

（3）凑试法确定PID参数

在PID参数进行整定时如果能够用理论的方法确定 PID参数当然是最理想的，但是在实际的应用中，由于各种因素的影响，如：数学模型不准却，非线性严重等，更多的是通过凑试法来确定PID参数。

增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。

增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。

增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。

在凑试时，可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势，对参数调整实行先比例、后积分、再微分的整定步骤。

首先整定比例部分，将比例系数由小变大，并观察响应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且对响应曲线已经满意，则只需要比例调节器即可。

如果在比例调节器的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整

定时先将积分时间设定到一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略微缩小（一般缩

小为原值的0.8 ），然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除，在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。

如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入

微分环节，首先，把微分时间 D设置为0,在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和微分时间，逐步凑试，直至得到满意的调试结果。 4

3、凑试法整定PID参数

已知未校正的球杆系统结构图、闭环仿真曲线如下图示:

从仿真曲线看出未校正系统震荡不稳定。

设球杆系统PID校正的结构图为如图2.2.5示:

Ji(j) $

心F - Kfis - Kj --- I 853 C(j)

i L s 'F

圈2.2.5出杆扩制策眦試梅用

要求采用凑试法设计PID校正环节，使系统性能指标达到调节时间小于 10秒，超调量

< 30%

【实验内容】

1. 根据给定的性能指标，采用凑试法设计 PID校正环节，校正球杆系统，并验证之。

G°(s)=警

2. 设球杆系统的开环传递函数为： s ，设计PID校正环节，使系统的性能指

标达到：ts^10秒，二卩乞30%。

【实验步骤】

1. PID实时控制界面：

l 853

J y ■ *

i A

/ \

1 1 r \

-D5

I 厂 \ \ \ \

J / \ \

4 • F ? 1 D 5

2、按照PID参数整定方法调整PID参数，设计PID控制器。

3、在固高球杆系统实验软件中进行 PID控制器的验证。

4、打开PID实时控制界面。双击“ PID Controller ”模块，设置Kp、Ki、Kd参数；依次点击“编译程序”“连接程序”“运行程序”；待小球静止后点击停止程序，双击打开示波器“ Pos”，观察系统响应情况。计算位移响应曲线的超调量，调节时间，填入实验记录表格。

【实验数据整理与归纳】（数据、图表、计算等）

1、PID参数整定：

设置PID控制器参数，令 Kp=2.5, Ki=0.9，Kd=1.5, SampleTime=-1,位移响应曲线如下：

吕回|叵W订凶怖不［曰乙韦 -'~ -

--- ------------------ 1 -- ------------------------- 1 ------------------------------ 1 ------------------------- 1 1

Illi I, IN Um 1 xiJUiii

.. ........................................... - 吐二.….…] ...... ; ..........

r 1

11 V

...........................................

... ............... -■ - ■ ■ ■ ■ -...... ■

i r

i i i 1 1

令 Kp=2.5，Ki=1.2，Kd=1.5，SampleTime=-1，位移响应曲线如下: 6

QJ5

令 Kp=2.1, Ki=1.2 , Kd=1.5, SampleTime=-1，位移响应曲线如下: 8

令 Kp=2.55, Ki=1.2 , Kd=1.5, SampleTime=-1,位移响应曲线如下:

令 Kp=2.6, Ki=1.2 , Kd=1.5, SampleTime=-1，位移响应曲线如下:

PID参数整定:

Time

Offset(s) Kp Ki Kd SampleTim e Ts(s)

5 2.5 0.9 1.5 -1 23 4%

2.5 1.2

20 28%

2.5 : 1.3

13 [12%

2.0 1.2

11 26%

2.1 1.2

12 28%

1、PID三个参数对控制效果的影响总结如下：

1）、比例参数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。随着 KP的增大

系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。

2）、积分作用参数Ki的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。Ki越大系统的稳态误

差消除的越快。

3）、微分作用参数Kd的作用是改善系统的动态性能，使系统超调量减小，稳定性增加,

但系统对扰动的抑制能力减弱。

2、本套固高球杆系统实验 PID控制器最佳参数为： Kp=2.55，Ki=1.2，Kd=1.5，

SampleTime=-1

从图中可以看出位移响应曲线在 10秒内达到稳定状态，超调量；「％空30%说明设计的

PID控制是有效的。

【实验思考题】

1、怎样确定PID控制器的参数?

答：1•先确定比例参数。若位移响应曲线在调整时波动次数较多，放大比例参数；若曲

线平缓且变化较慢，则缩小比例参数。

2.设定积分参数。若位移响应曲线在调整时波动次数较多，缩小积分参数；若曲线平缓

且变化较慢，则放大积分参数。

3. 不能随意更改微分参数。

2、为什么系统仿真的结果和实时控制的结果相差很大？为什么当 PID参数取某些值

的时候（如Kp=10, Ki=0，Kd=10，仿真结果很好，但实时控制时系统却震荡不稳定?

答：系统仿真建立的模型是对实时系统的简化，忽略许多线性和非线性因素，这些因素

对结果是有影响的。仿真模型与实际系统之间还存在偏差，这些值对实际系统还不是有效参

数，所以实时系统会震荡不稳定。 2.3 1.2

2.4 : 1.2

2.5 1.2

2.55 1.2

2.6 1.2 12 27%

11 「16%

12 32%

9 12% '

18 :4% 【数据结果分析】

自动控制原理实验报告

. > 实验一典型环节的模拟研究及阶跃响应分析

1、比例环节

可知比例环节的传递函数为一个常数：

当Kp分别为，1，2时，输入幅值为的正向阶跃信号，理论上依次输出幅值为，，的反向阶跃信号。实验中，输出信号依次为幅值为，，的反向阶跃信号，

相对误差分别为1.8%,2.2%,0.2%.

在误差允许范围内可认为实际输出满足理论值。

2、积分环节

积分环节传递函数为：

〔1〕T=0.1(0.033)时，C=1μf(0.33μf)，利用MATLAB，模拟阶跃信号输入下的输出信号如图：

与实验测得波形比较可知，实际与理论值较为吻合，理论上时的波形斜率近似为时的三倍，实际上为，在误差允许范围内可认为满足理论条件。

3、惯性环节

惯性环节传递函数为：

K = Rf /R1,T = Rf C,

（1）保持K = Rf/R1= 1不变，观测秒，秒〔既R1 = 100K,C = 1f，f〕时的输出波形。利用matlab仿真得到理论波形如下：

时

ts〔5%〕理论值为300ms,实际测得ts=400ms

相对误差为：〔400-300〕/300=33.3%,读数误差较大。

K理论值为1，实验值，

相对误差为〔〕/2.28=7%与理论值较为接近。

时

ts〔5%〕理论值为30ms,实际测得ts=40ms

相对误差为：〔40-30〕/30=33.3%

由于ts较小，所以读数时误差较大。

K理论值为1，实验值，

相对误差为〔〕/2.28=7%与理论值较为接近

（2）保持T = Rf s不变，分别观测K = 1，2时的输出波形。

K=1时波形即为〔1〕中时波形

K=2时，利用matlab仿真得到如下结果：

ts〔5%〕理论值为300ms,实际测得ts=400ms

自动控制原理软件实验报告

《自动控制原理》MATLAB分析与设计

仿真实验报告

院系：物理电子工程

班级：

姓名：

学号：

时间：年月

实验一控制系统数学模型在matlab中的描绘方

一、实验目的

1.熟悉Matlab的基本操作；

2.掌握线性系统模型在Matlab中的描述方法；

3.掌握在Matlab中线性系统模型之间的转换方法；

4.初步熟悉Simulink仿真的基本方法。

二、实验内容

1、已知闭环系统的传递函数为：23221()6116ssGssss。要求：利用Matlab软件中的函数，（1）把G(s)写成零、极点形式；（2）把G(s)写成部分分式的形式；（3）当采样周期为1s时，求出离散后的模型。

解：程序如下

disp('系统的传递函数为：')

num=[1,2,2];

den=[1,6,11,6];

G=tf(num,den)

[z,p,k]=tf2zp(num,den);

disp('转换为零极点形式为：')

G1=zpk(z,p,k)

disp('转换为部分分式形式的参数为：')

[r,p,k]=residue(num,den)

disp('离散后模型后为：')

Gd=c2d(G,1

运行结果如下:

(1)转换为零极点形式为：

G1 = (s^2 + 2s + 2)

-----------------

(s+3) (s+2) (s+1)

(2)转换为部分分式形式的参数为：

r = 2.5000 p =-3.0000 k = []

-2.0000 -2.0000

0.5000 -1.0000

(3)离散模型后模型为：

Gd = 0.2432 z^2 - 0.09584 z + 0.02572

自动控制理论实验报告

自动控制原理实验报告

学院：控制科学与工程学院

班级：自动化C095

姓名：薄俊杰赵晓龙

学号：096312 096326

- 1 -

一、实验目的

用MATLAB进行线性系统时域分析，绘制根轨迹、系统的伯德图，计算系统的相角裕度和增益裕度，绘制系统的闭环频率特性并在此基础上对系统进行附加零、极点前后性能分析。

二、相关函数

(1)惯性环节的传递函数：11)(TssG T=0.2 0.5 1

(2)二阶系统的传递函数：

2222)(nnnsssG

 n=1 ζ=0.1 0.5 0.9 1.3

ζ=0.65 n=2 4 6 8 10 12

(3)连续系统的开环传递函数：32)152()()(2221ssssKsHsG

(4)系统的开环传递函数：)153()134()()(221sssssKsHsG

(5)二阶系统的传递函数：12.01)s(2ssG

(6)32152)s(22ssssG

(7)开环传递函数：14.01)(2sssG

(8)设有单位负反馈、Ι型系统的对数传递函数为：ssssGO455)(23

现在系统中附加一个零点和一个极点，其传递函数为：)95.4()2.1(94.5)(sssG

（9）有串联纯滞后环节系统的开环传递函数为：TsessG12)(

三、实验内容 - 2 - ⑴绘制时间常数T=0.2S,0.5S,1S时惯性环节的单位阶跃响应曲线族。

T=[0.2,0.5,1];

figure(1)

hold on

for T1=T

num=[0,1];

den=[T1,1];

step(num,den)

end

⑵二阶传递函数用时域分析模块中的函数分析无阻尼自然振荡角频率n、阻尼比ζ对系统暂态响应性能的影响

自动控制原理实验报告 2

自动控制原理实验报告

班级自动化1204

姓名焦雍堡

学号 12212153

组员黄寅峰

学号： 12212124

任课老师苗宇

实验一经典环节及其阶跃响应

1.各个环节的模拟电路图及其阶跃响应曲线

（1）比例环节

（2）惯性环节

（3）积分环节

（4）微分环节

（5）比例微分环节

2.由阶跃响应曲线计算出传递函数

（1）惯性环节

K=R2/R1=200K/100K=2 T=R2C=0.2

G(S)=-2/(0.2S+1)

由图可得，输入1000mv的阶跃信号，输出信号稳定在-2000mv

与理论值相符。

（2）积分环节

T=RC=0.1

G(S)=1/TS=10/s 由图可得，R(S)=100/S,C(S)=1000/2S,与理论值相符。

实验二二阶系统阶跃响应

1.画出二阶系统的模拟电路图，讨论经典二阶系统性能指标与，n的关系。

(1)R2=0，=0，n=10 rad/s

(2)R2=50K,=0.25，n=10 rad/s

(3)R2=100K,=0.5，n=10 rad/s

(4)R2=150K,=0.75，n=10 rad/s

(5)R2=200K,=1，n=10 rad/s

(6)R2=400K,=2，n=10 rad/s

(7)=0.5，n=100 rad/s

下载提示

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

自动控制原理实验报告

合集下载

自动控制原理实验报告

自动控制原理软件实验报告

自动控制理论实验报告

自动控制原理实验报告 2

文档推荐

最新文档