先进控制实验(直流伺服系统PID控制)
基于粒子群优化的直流伺服系统PID控制
基于粒子群优化的直流伺服系统的PID控制前言随着电力电子资源的发展，直流机器将变得越来越用，在他们找到了广泛应用的范围之内，即汽车工业（电动汽车），使用弱势能的电池系统（电动玩具），应用电力拖动的万能机器系统等等。
直流电机的转速能适应比较大的裕度，以便提供容易的控制和高效的执行力。
这里有几种常规的数字控制器类型，在执行各种各样的任务时被用于控制直流电机：PID控制器，模糊逻辑控制器；或前两者的混合控制：使用在不同领域的PID-粒子群算法（PID-PSO），PID-神经网络，PID-遗传算法，PID-蚁群优化和最优模糊逻辑控制器。
PID控制器被广泛地应用于工业装置中，是因为它的简便和稳定性。
工业生产方法常受到参数和参数扰动的约束而改变，而这时则意味着会使系统变得不稳定。
因此，控制工程师将会寻找自动调谐程序。
从控制法来说，直流电机呈现出优越的控制参数，由于这个领域的解耦本质。
最近，许多先进的控制方法论，例如非线性控制，最优控制，可变结构控制，和自适应控制，在直流电机上，都被广泛的利用着。
然而，这些方法的理论基础，既复杂，又难以实现。
在瞬时变化和稳态响应下，PID控制的功能能对其进行处理，提供最简便和最有效的方法，在处理真实环境下的太多的控制问题下。
尽管这种方法的结构简单，鲁棒性好，获得最优的PID控制器协调增益是相当困难的。
PSO方法已经在应用中解决了复杂问题的最优化。
PSO作为先进的启发式算法，第一次被肯尼迪和埃伯哈特所引进；具有生物体的行为的激发主动性，比如鱼群和鸟群。
一般情况下，PSO被认为是一个简单的概念，容易实现，容易实现其效率。
不像其他的启发性技术，PSO灵活，并有良好的均衡机构提高其总体和局部的探究能力。
摘要在本文中，直流电机驱动的智能控制设计，使用粒子群算法（PSO）的方法实现PID最优控制的参数调整。
提出的方法有优越特点，包括容易实施，稳定收敛特性和非常高的计算执行效率。
在MATLAB环境下，时序PID-PSO控制器下的直流电机可以被仿真。
PID控制电机实验报告实验报告
PID控制电机实验报告实验目的本次实验的目的是掌握PID控制器的工作原理和应用，了解PID控制的基本概念和设计方法，并通过实验实现对电机的控制。
实验步骤材料准备本次实验所需要的材料如下：•电脑•Arduino开发板•直流电机•按钮•电位器•面包板•杜邦线•电源线硬件连接首先将直流电机连接到Arduino开发板的PWM引脚上，同时将按钮和电位器连接到开发板的数字引脚上，如下图所示：image1image1软件实现打开Arduino IDE，新建一个工程，然后编写如下代码：// 定义控制引脚和输入引脚const int CONTROL_PIN = 9;const int INPUT_PIN = A0;const int BUTTON_PIN = 2;// 设置时间间隔const int INTERVAL = 100;// 设置p、i、d系数和初始误差const float Kp = 0.8;const float Ki = 0.1;const float Kd = 0.1;const float TARGET = 500;float error = 0;float lastError = 0;float integral = 0;// 定义按钮状态和电位器值int buttonState = HIGH;int potValue = 0;// 初始化控制引脚和按钮引脚void setup() {pinMode(CONTROL_PIN, OUTPUT);pinMode(BUTTON_PIN, INPUT);digitalWrite(BUTTON_PIN, HIGH);}// 主循环void loop() {// 获取按钮状态和电位器值buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);potValue = analogRead(INPUT_PIN);// 判断按钮状态if (buttonState == LOW) {// 按下按钮时，执行pid控制error = TARGET - potValue;integral += error;float derivative = error - lastError;lastError = error;float output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;if (output > 255) {output = 255;}if (output < -255) {output = -255;}analogWrite(CONTROL_PIN, abs(output));} else {// 未按下按钮时，关闭电机analogWrite(CONTROL_PIN, 0);}// 等待一段时间delay(INTERVAL);}以上代码实现了一个PID控制器，当按下按钮时，控制器根据电位器的值计算出控制信号，并控制电机的转速，使电位器的值逐渐趋近于目标值，当释放按钮时，电机停止转动。
直流电机伺服系统实验报告
直流电机伺服系统实验报告目录直流电机伺服系统实验报告 (1)实验一、MATLAB仿真实验 (2)1.直流电机的阶跃响应 (2)2.直流电机的速度闭环控制 (2)3.直流电机的位置闭环控制 (7)实验二、直流电机调速系统 (11)1.反馈增益调节 (12)2.抗扰动能力对比 (12)3.比例调节下的特性测试与控制参数优化 (13)4.比例积分调节下的特性测试与控制参数优化 (15)5.测试速度环的速度误差系数(选做) (18)6.思考题 (19)实验三、直流电机位置伺服系统 (20)1.测试位置环的速度误差系数 (20)2.位置环采用比例控制器时的特性 (20)3.位置环采用PI 控制器时的动态特性 (23)4.测试工作台位移与输入电压的静特性 (24)5.思考题 (24)实验总结 (27)实验一、 MATLAB 仿真实验1.直流电机的阶跃响应如下图，对直流电机输入一个阶跃信号，画出阶跃响应曲线，指出主导极点。
利用Simulink 仿真搭建模型：实验结果 阶跃响应曲线两个极点是1210,10000s s =-=-，其中主导极点是110s =-。
2. 直流电机的速度闭环控制如下图，用测速发电机检测直流电机转速，用控制器Gc(s)控制加到电机电枢上的电压。
(1)假设()100c G s =，用Matlab 画出控制系统开环Bode 图，计算增益剪切频率、相位裕量、相位剪切频率、增益裕量：当()100c G s =时，改为单位负反馈，开环传递函数：100()(0.11)(0.0011)(0.00011)G s s s s =+++绘制系统开环Bode 图：利用margin 函数，得到：增益剪切频率784.3434/c rad s ω=，相位裕量48.1370γ=，相位剪切频率3179.7/rad s πω-=，增益裕量11.1214g K =。
(2)通过分析Bode 图，选择合适的常数P K 作为()c G s ，使闭环阶跃响应的最大超调量在0~5%之间：超调量(%)100(1sin )5p M γ≈--，降低最大超调量需要适当提高相位裕量γ，反解得到γ的取值为：64.2°<γ<71.8°这就需要减小p K （但是快速性将降低，稳态误差将增大）。
PID控制电机实验报告
PID控制电机实验报告【摘要】本实验通过PID控制电机，对系统进行控制，实现系统的速度调节和位置调节。
首先通过对系统的建模和参数辨识，得到了系统的数学模型和参数，并根据模型设计了合适的PID控制器。
然后通过实验验证了设计的控制器的有效性，实现了对电机速度和位置的调节。
实验结果表明，PID控制器对于系统的速度调节和位置调节具有良好的性能，能够实现较好的控制效果。
【关键词】PID控制；电机；速度调节；位置调节一、实验目的1.通过PID控制器实现对电机的速度调节和位置调节；2.验证PID控制器的有效性和性能。
二、实验原理PID控制器是一种经典的控制策略，由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成。
PID控制器的数学表达式为输出信号u(t) = Kp*e(t) + Ki*∫e(t)dt + Kd*de(t)/dt，其中e(t)为控制偏差，Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分系数。
在电机控制中，可以将电机看作一个被控对象，输入电机的电压u(t)通过电机的转矩转化为输出角速度ω(t)。
通过对电机的数学建模，可以得到电机的传递函数为G(s)=k/(Ts+1)，其中k为系统增益，T为系统时间常数。
根据系统传递函数的性质，可以得到电机系统的速度和位置闭环模型为Kv(s)=1/(Ts+1)和Kp(s)=Ks/(Ts+1)，分别对应于速度和位置的调节。
三、实验装置1.PC机；2.PID控制器板卡；3.直流电机；4.电压放大电路；5.角度传感器。
四、实验步骤1.建立电机的数学模型，并利用实验数据辨识系统的参数；2.根据模型设计PID控制器的参数；3.连接实验装置，将PC机与PID控制器板卡连接，通过板卡控制电机的电压，实现速度和位置调节；4.设置不同的目标速度和目标位置，进行实验并记录实验数据；5.分析实验数据，评价控制器的性能和有效性。
五、实验结果与分析通过实验得到了电机系统的数学模型为G(s)=2/(s+1)和Ks=10/(s+1)，并根据模型参数设计了PID控制器的参数为Kp=1,Ki=0.01和Kd=0.5、实验中设置了不同的目标速度和目标位置，通过对比实际速度和位置与目标值的差异，评价了控制器的性能。
先进控制技术实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解先进控制技术的概念、原理及其在实际应用中的重要性。
2. 掌握先进控制算法（如模型预测控制、自适应控制、鲁棒控制等）的基本原理和实现方法。
3. 通过实验验证先进控制算法在实际控制系统中的应用效果，提高对控制系统优化和性能提升的认识。
二、实验器材1. 实验台：计算机控制系统实验台2. 控制系统：直流电机控制系统、温度控制系统等3. 软件工具：Matlab/Simulink、Scilab等三、实验原理先进控制技术是近年来发展迅速的一门控制领域，主要包括模型预测控制（MPC）、自适应控制、鲁棒控制、模糊控制等。
这些控制方法在处理复杂系统、提高控制性能和抗干扰能力等方面具有显著优势。
1. 模型预测控制（MPC）：基于系统动态模型，预测未来一段时间内的系统状态，并根据预测结果进行最优控制策略的设计。
MPC具有强大的适应性和鲁棒性，适用于多变量、时变和不确定的控制系统。
2. 自适应控制：根据系统动态变化，自动调整控制参数，使系统达到期望的控制效果。
自适应控制具有自适应性、鲁棒性和强抗干扰能力，适用于未知或时变的控制系统。
3. 鲁棒控制：在系统参数不确定、外部干扰和噪声等因素的影响下，保证系统稳定性和性能。
鲁棒控制具有较强的抗干扰能力和适应能力，适用于复杂环境下的控制系统。
4. 模糊控制：利用模糊逻辑对系统进行建模和控制，适用于不确定、非线性、时变的控制系统。
四、实验内容及步骤1. 直流电机控制系统实验（1）搭建直流电机控制系统实验平台，包括电机、电源、传感器等。
（2）利用Matlab/Simulink建立电机控制系统的数学模型。
（3）设计MPC、自适应控制和鲁棒控制算法，并实现算法在Simulink中的仿真。
（4）对比分析不同控制算法在电机控制系统中的应用效果。
2. 温度控制系统实验（1）搭建温度控制系统实验平台，包括加热器、温度传感器、控制器等。
（2）利用Matlab/Simulink建立温度控制系统的数学模型。
直流伺服调速系统实验报告
师范学院实验报告学院：专业：班级：成绩：姓名：学号：组别：组员：实验地点：实验日期：指导教师签名：实验（1）项目名称：直流电机智能伺服控制器基本控制实验1.实验项目名称直流电机智能伺服控制器基本控制实验2.实验目的和要求熟悉智能伺服运动控制器的原理和使用方法，掌握基本的电机控制原理，电流环，速度环和位置环的参数调节3.实验原理伺服系统在机电设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。
随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化的时代。
智能伺服运动控制器的总体结构如下图所示；Motion Studio是智能伺服控制器的开发环境，是一款基于Windows环境的高性能可视化软件，用于开发包含有Technosoft智能伺服驱动的运动解决方案，它容许您配置一个运动系统，包括运动系统元素定义和控制器参数测定，利用高级集成工具设计运动程序，它可以自动生成TML代码，深层代码开发工具容许进一步的编辑和直接编译、连接、产生执行代码并送到IPM驱动器，最后，先进的图形显示工具：如数据记录、控制按钮和TML变量观测可用于系统的运动。
其界面如下图所示：根据电机参数，在下图所示的界面中设置参数：设置电流环，速度环和位置环各参数：在设置速度环和位置环参数后，对系统进行“Tune＆Test”实验，改变参数，直到可以达到满意的控制效果。
4.主要仪器设备直流伺服系统控制平台、控制计算机5.实验内容及步骤（1）参照智能伺服控制器用户手册，熟悉其结构和原理（2）掌握智能伺服控制器和计算机通讯的原理和方法，掌握编码器信号采集，电位器信号采集和电机控制的基本方法。
（3）熟悉Motion Studio的使用。
6.实验数据记录和处理（1）测试出的电机电压值是多少？（2）测试出电机和负载总的转动惯量是多少？7. 问题与讨论（1）电机的转动方向是通过测试什么信号得到的？（2）测试电机的速度环时显示的波形是什么曲线？请简单画出波形图。
项目二 直流伺服电机控制实验
《电力拖动与电力系统创新实验》
电机专业方向创新实验
实验报告
电气工程及其自动化实验中心
实验项目：项目二 直流伺服电机控制实验
姓名：吴朋
学号：1120610812
时间：2015.10.14
成绩：
项目二 直流伺服电机控制实验
一、实验目的
1、掌握直流伺服电机开环回路的电压控制原理，测试响应波形，用比较近似方法确定开环特性参数。
2、掌握直流伺服电机闭环回路的速度和位置控制原理，测试响应波形，用比较近似方法确定闭环特性参数。
3、掌握直流伺服电机加减速、正弦波和可编程波的位置控制原理，测试响应波形，用比较近似方法确定闭环特性参数。
二、实验项目
1、开环回路的电压控制
2、闭环回路的速度控制
3、闭环回路的位置控制
4、加减速的位置控制
5、正弦波的位置控制
6、可编程波的位置控制
三、实验内容
1、开环回路的电压控制
Kamp加倍，速度57，加倍
频率加倍，转停转停频率加倍
负载率增大“转停”的“转”的时间比例变大2、闭环回路的速度控制
4、加减速的位置控制
6、可编程波的位置控制
四、实验心得
本实验了解了直流伺服电机的控制种类及基本方法，但是对于理论知识认识并不是非常深刻，需要在课后时间自学相关知识，才能更好的掌握。
“直流伺服电机系统的PID校正” 实验指导书 - 开放型实验管理系统
开放型实验 “直流伺服电机系统的PID 校正” 实验指导书一、实验目的1. 掌握PID 控制及其校正在控制系统中的应用；2. 熟悉直流伺服电机系统的PID 校正理论；3. 设计并验证PID 校正环节。
二、实验要求1. 根据给定的性能给定的性能指标，采用试凑法设计PID 校正环节，校正未校正系统，并验证。
2. 设未校正系统的开环传递函数为()()()112.01052.010++=s s s G ，设计PID 校正环节，使系统的性能指标达到：调整时间小于2s ，超调量不大于10%，稳态误差不大于1%。
三、实验设备1. GSMT2014 型直流伺服系统控制平台；2. PC 、MATLAB 平台； 四、直流伺服系统控制平台简介实际GSMT2014型直流伺服系统控制平台如图1.1所示。
该平台所使用的直流电机的额定电压为26V ，额定功率为70W ，最高转速为3000r/min ，电机的编码器为1000p/r 。
图1.1 GSMT2014型直流伺服系统控制平台GSTM2014实验平台是基于双电机高性能运动控制器GT400和智能伺服驱动器的直流伺服电机控制系统，由于GSMT2014平台增加了高性能的GT2014运动控制器，可以在MATLAB/simulink 软件下完成实时控制实验掌握通过实验数据来建立系统的数学模型的实验方法，以及现代控制理论的状态反馈法。
五、实验原理1．PID 简介在工业生产过程控制中，常用的基本调节规律有：P ，PI ，PD 和PID 控制。
加入PID 控制后，控制系统如图1.2所示。
图1.2 加入PID 控制器的系统框图1）P 控制器控制器的输出()t u 与误差作用信号()t e 的关系为 ()()t e K t u p =拉普拉斯变换量的形式为 ()()()()11-==pK s E s U s G式中，p K 为比例增益。
在相同的偏差下，p K 越大，输出也越大，因此p K 是衡量比例作用强弱的参数。
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(4)参考文献“位置伺服系统中伺服电机的实验建模”或用系统辨识工具箱，辨识直流伺服电机的数学模型。
3.PID控制器的设计与调节方法
因为PID的形式为： ，所以，由图1补偿器的选取可确定PID的参数为： 、 、 。
图1选取合适补偿器的参数
图2选取合适补偿器参数的SISO界面图图3加补偿器后的阶跃响应曲线
3.PID控制效果检验
将设计好的PID控制器参数设定到闭环系统中，阶跃信号取2000rpm，依次编译、连接、运行程序。图4为加控制器与否的闭环响应曲线对比图，其中下面那根曲线为加控制器前的，上面那根为加PID控制器后的响应曲线；图5为辨识模型与实际系统的闭环响应曲线对比图，其中平滑的为辨识模型的闭环响应曲线，带毛刺的为实际系统的闭环响应曲线；实验结果记录表如下表1所示。
3进一步加深了对控制理论的理解，熟悉了PID各参数对系统性能的影响，学到了PID参数整定的方法与技巧；
4在将Simulink中的实验数据导入到matlab工作空间并绘制图形的过程中，发现示波器输出数据为两列，第一列为时间，第二列为对应的转速，因此绘图语句为“plot(out(:,1),out(:,2))”，其中“out”为示波器输出值存于工作空间的变量名。
(4)检验系统性能指标是否达到： 、 、稳态误差为0。若所测的性能指标达到了要求，则P、I、D参数则有效，否则回到实验内容2辨识数学模型和（或）实验内容3重新求取用于控制直流伺服电机的P、I、D参数，然后用实验内容5予以检验，直到达到性能指标为止。
五、实验数据
1.直流伺服系统辨识结果
(1)利用文献得到开环系统的一阶辨识模型的传递函数为： ，将此模型的阶跃响应曲线与实验的响应曲线相对比，有一定差距，因此考虑二阶辨识模型。
5PID在直流伺服系统控制中，在精度、稳定性和抗干扰性等方面都有良好的性能表现，并且实现简单、维护方便，但它需要基于系统模型来设计，且需要不断调试，没有唯一解。
最后，感谢叶老师在整个实验过程中的耐心指导与讲解！
实验指导教师评语：
教师签名：
年月日
考查成绩(5级计分)
学分
0.5
（此表在授位前请放入硕士学位申请书中相应位置）
(2)用matlab系统辨识工具箱得二阶辨识模型的传递函数为： 。
接下来控制器的设计采用的是二阶的辨识模型。
2.PID参数整定
在SISO Design Tool界面中通过拖拽添加的零极点与增益大小，观察单位阶跃输入闭环响应曲线与开环系统的bode图，寻找到合适的P、I、D参数。
如图1为选取合适补偿器的参数，对应的SISO设计界面图以及单位阶跃响应分别如图2和图3所示。
5.PID控制效果检验
(1)建立控制系统,由于电机最高转速3000rpm，因此，阶跃信号不可太大或太小，以1000~2000rpm为宜，本实验取2000rpm。
(2)依次编译、连接、运行程序，电机开始转动，任其运行10s左右，然后停止程序；
(3)打开示波器，观察加入2000rpm的阶跃信号时直流伺服电机转速响应曲线，测量并记录超调量 ，峰值时间 ，调节时间 ，填入实验记录表中。
图4校正前后闭环响应曲线
图5辨识模型与实际系统的闭环响应曲线
表1实验记录表
项目
控制器参数
性能指标
未校正系统
无
； ； ； ；
校正系统实测
； ；
； ； ； ；
六、结果分析
对上述所得的实验数据以及实验结果进行了如下分析：
1在辨识系统模型的过程中发现，该直流伺服系统开环阶跃响应已能满足给定的性能指标要求，但尽管如此，考虑到抗干扰能力抑制作用等问题，需采用闭环控制；系统采用闭环控制后，未校正前的阶跃响应存在稳态误差，不满足性能指标要求，因此需设计控制器。
(1)在matlab命令窗口中输入直流伺服电机的模型；
(2)在matlab命令窗口中键入“SISOTOOL”，打开设计界面，在界面中使用“File|Import”命令导入被控对象模型；
(3)通过在原点添加一个极点，左半平面添加一对零点，使补偿器C为PID的形式；拖拽SISO界面添加的零极点，同时观察单位阶跃输入时的闭环响应曲线，寻找合适的P、I、D参数。
专业实验报告
实验名称
先进控制理论实验（直流伺服系统）
实验时间
2015-6-18
姓名
XXX
学号
XXXXXXX
简略实验内容、装置简图、实验过程及结果等：
一、实验目的
1.了解直流伺服试验系统；
2.掌握直流伺服实验系统的实验建模方法；
3.掌握PID控制器的设计与调节方法。
二、实验仪器设备
1.安装有matlab的PC机一台；
(4)通过补偿器表达式计算出用于控制直流伺服电机的P、I、D参数。
4.PID模块的封装
(1)在之前所打开的MotorControlSystem.mdl文件中搭建PID模块并对其进行封装，PID模块如下图：
(2)将封装的PID模块连接加到被测系统前，并形成反馈回路，如下图所示：
(3)双击打开PID模块，即可设置实验内容3所获得的P、I、D参数。
2采用二阶的辨识模型，利用“SISO Design Tool”整点PID参数时发现：增大 ，系统响应速度加快，对提高稳态精度有益，但超调量增大；积分I的作用能消除稳态误差，但会延长调整时间；微分D对改善动态性能和抑制超调有利，但如果过强，即校正装置的零点靠近原点时，不仅不能改善动态性能，反而易引入噪声干扰。在实验验证中同样可得出如此结论。
2.直流伺服实验系统的实时控制和模型辨识
(1)打开直流伺服系统控制平台电控箱上的电源按钮；将matlab菜单栏的当前路径指向MotorControlSystem.mdl所在文件夹，打开MotorControlSystem.mdl，如下图所示：
(2)点击 编译程序，成功后连接程序并运行，电机开始转动，运行5秒钟左右，停止程序。
2.直流伺服系统控制实验平台一套。
三、实验原理
1.由于开环控制系统控制的精度低，不能抑制外界的干扰，对元件特性变化敏感，因此，通常需要采用反馈控制。直流伺服系统是通过光电编码器来实现反馈的；有了输入和反馈，当响应曲线不能满足期望指标时，就需要设计控制器。
2.在设计控制器时，本实验是通过测定系统开环响应，辨识出开环系统的传递函数模型，然后利用SISOTOOL整定PID的参数，再对实际系统进行实验验证与控制器参数的调整。
四、实验内容
1.熟悉matlab仿真环境
(1)掌握matlab的基本操作，如新建/保存/导入m文件及mdl文件在simulink中新建mdl文件，熟悉基本的仿真模块的使用，对其参数进行相应的修改，搭建基本的仿真系统。
(3)保存搭建好的系统并运行，双击Scope模块，得到仿真曲线，能对仿真的精度及时间进行相应修改，能将Scope输出的变量保存到工作空间中再绘制曲线图。注意文件名保存时必须以字母开头，并只含有字母/数字/下划线。
3由校正后的直流伺服系统实测数据可得，校正后的实际系统明显满足性能指标的要求，并且通过辨识模型与实际系统的闭环响应曲线的对比，说明了该辨识模型的有效性，能基本反映实际系统。
七、实验小结
通过本次实验，我有如下体会：
1在辨识系统模型的过程中，通过查看所给的参考文献，掌握了直流伺服系统的实验建模方法；
2掌握了matlab系统辨识工具箱的使用，学到了利用命令“A=xlsread(‘shuju.xls’)”将存在Excel表中的辨识数据转存到matlab工作空间中；