基于MATLAB的步进电机PID闭环控制系统仿真
基于matlab的pid控制仿真课程设计
这篇文章是关于基于Matlab的PID控制仿真课程设计的，主要内容包括PID控制的基本原理、Matlab的应用、课程设计的目的和意义、课程设计的具体步骤和具体操作步骤。
文章采用客观正式的语气，结构合理，旨在解释基于Matlab的PID控制仿真课程设计的重要性和实施方法。
1. 简介PID控制是一种常见的控制算法，由比例项（P）、积分项（I）和微分项（D）组成，可以根据被控对象的实际输出与期望输出的偏差来调整控制器的输出，从而实现对被控对象的精确控制。
Matlab是一种强大的数学建模与仿真软件，广泛应用于工程领域，尤其在控制系统设计和仿真方面具有独特优势。
2. PID控制的基本原理PID控制算法根据被控对象的实际输出与期望输出的偏差来调整控制器的输出。
具体来说，比例项根据偏差的大小直接调整输出，积分项根据偏差的积累情况调整输出，微分项根据偏差的变化速度调整输出。
三者综合起来，可以实现对被控对象的精确控制。
3. Matlab在PID控制中的应用Matlab提供了丰富的工具箱，其中包括控制系统工具箱，可以方便地进行PID控制算法的设计、仿真和调试。
利用Matlab，可以快速建立被控对象的数学模型，设计PID控制器，并进行系统的仿真和性能分析，为工程实践提供重要支持。
4. 课程设计的目的和意义基于Matlab的PID控制仿真课程设计，旨在帮助学生深入理解PID控制算法的原理和实现方法，掌握Matlab在控制系统设计中的应用技能，提高学生的工程实践能力和创新思维。
5. 课程设计的具体步骤（1）理论学习：学生首先需要学习PID控制算法的基本原理和Matlab在控制系统设计中的应用知识，包括控制系统的建模、PID控制器的设计原理、Matlab的控制系统工具箱的基本使用方法等。
（2）案例分析：学生根据教师提供的PID控制实例，在Matlab环境下进行仿真分析，了解PID控制算法的具体应用场景和性能指标。
（3）课程设计任务：学生根据所学知识，选择一个具体的控制对象，如温度控制系统、水位控制系统等，利用Matlab建立其数学模型，设计PID控制器，并进行系统的仿真和性能分析。
基于MATLAB的步进电机PID闭环控制系统仿真
度，
限幅模块 控制电机的转 速。在不同PID参数下 位置仿真 输}f {如图 5所示萁 中PI D控制 系统的 响，相t 间为4s．这是山于在起始阶段J PJD控制 器的 KP使得 步进 电机以 较高速 度向 期单位 置
参 考文献
【l 】李维波．MATIAB在电气工程中的应用呻北
京：中 国电力出版社2 009．
f 21 史敬灼．步进电机伺服控制技彳qMI 北京：科学 出版社2 006
【3惆尊派正弦波细分步进电机微步驱动器LI l 微 特电机1 997．
作者简介：石建飞，09 7¨，男，哈尔滨理工 大学硕士毕业。讲师，现主要从事电力电子与电 力传 动方面 的研究 ，
形式。这样可以更好地降低电机的低频振荡现
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图2 细分 子模块
图3细分前后电机输出角位移 2 PID控制系统仿真 由f 细分控制仪仅采用电流闭环，故叮以 将其作为位置闭环控制的一个内环加入到步进 电机PI I ) 控制系统中。如此可以将开环步进电 机控制系 统改造为闭环 系统，步进电机 PI D控 制系统结构框图如图4所示。
一10一
中国新技术新产品
l PID与细 分模块 在工业 过程控制中， PI D控制 系统是应用 最广泛的，其具有原理简单、无需精确数学模 型、应朋面宽等优点。PI D调节足根据系统的误 差，按偏差的比例( P) 、积分m和微分0) ) 进行控制 的，存被控对象的结构与参数不能完全掌握域 得不列精确的数q' 4 葜- 型等情况下．叮以通过PI D 闭环控制来有效提高控制系统的精度和性能。 随着i f ．算机技术的快速发展．1，I D控制器都通 过数 字控制 来实现 并且利用 计算机 的强大 功 能，不断改进数字PI D控制规律’朝着更加灵活 和智能化 的方向发展， 其中增域式PID算法在 实际 中就 多被 采用 ，其算 法如 F：
基于MATLAB的PID控制仿真研究
基于MATLAB的PID控制仿真研究μCOS-II在MCS-51上的移植及实现基于蓝牙的数据采集系统---软件部分基于MATLAB的PID控制仿真研究基于单片机的LCD控制器设计基于蓝牙的数据采集系统（硬件）基于神经网络的车辆类型识别基于GSM短信模块的家庭防盗报警系统其他论文联系QQ: 1357709552目录摘要 (5)Abstract (6)前言 (7)绪论 (8)经典控制理论概述 (8)论文结构安排 (9)第1章PID控制的理论基础 (10)1.1 PID控制的相关参数 (10)1.1.1 比例(P)控制 (10)1.1.2 积分(I)控制 (11)1.1.3 微分(D)控制 (11)1.2 常见控制器 (11)1.2.1 比例控制器P (12)1.2.2 比例积分控制器PI (12)1.2.3 比例微分控制器PD (13)1.2.4 比例积分微分控制器PID (13)1.3 PID控制参数整定 (14)第2章传统PID控制 (16)2.1 传统PID系统设计 (16)2.2 基于MATLAB/SIMULINK的仿真 (17)2.3 传统PID控制器的参数整定 (17)2.4 整定结果及分析 (18)第3章Ziegler-Nichols整定法 (21)3.1 系统数学模型的确定 (21)3.2 基于时域响应曲线的整定 (22)3.3 基于频域法的整定 (24)3.4 Ziegler-Nichols整定法的PID控制器设计举例 (24)3.4.1 已知受控对象传递函数为LseTsKsG-+=1) ( (24)3.4.2 已知受控对象频域响应参数 (26)第4章模糊PID系统设计 (29)4.1 模糊控制系统结构 (29)4.2 模糊PID参数自整定原则 (30)4.3 模糊PID控制器设计 (31)4.3.1 语言变量模糊化 (31)4.3.2 各变量隶属度函数的确定 (31)4.3.3 建立模糊规则表 (32)4.3.4 确定模糊控制器的类型和结构 (33)4.4 模糊PID控制系统的仿真 (36)4.4.1 建立系统结构仿真框图 (36)4.4.2 仿真结果 (39)结论 (40)总结与体会 (42)致谢 (43)参考文献 (44)附录 (46)附录一英文原文 (46)附录二中文翻译 (53)摘要本文简要介绍了PID控制器在工业领域中的广泛应用，及PID控制器的理论基础以及其对连续系统性能指标的改善作用。
【可以参考,有一点点假】基于Simulink仿真的步进电机闭环控制系统分析
输出如图 4 所示 , P I D 系统响应时间为 4. 2 s。为了消 除超调 ,系统响应时间较长 ,而输出在平衡位置有轻微 的抖动 。
3 步进电机模糊 P I D 控制
3. 1 参数模糊自整定 P I D 控制系统结构
普通的 P I D 控制器 , 对于像步进电机这种参数时 变的非线性被控对象 ,其控制效果往往不是特别理想 。 而参数模糊自整定 P I D 控制是模糊 P I D 控制的一种 , 它针对这一缺点 ,对 P I D 控制进行的改进 。控制系统 结构如图 5 所示 。
1 混合式步进电机模型
1. 1 数学模型
对于两相混合式步进电机 , 在不计定子极间和端 部的漏磁 、 不计永磁体回路的漏磁 、 忽略磁滞和涡流的 影响 、 忽略饱和的影响 、 忽略定子线圈自感的谐波分量 时 ,两相混合式步进电机的电压平衡方程为
基于 Sim ulink 仿真的步进电机闭环控制系统分析
收稿日期 : 2008 - 08 - 28 作者简介 : 刘川 (1983 —) ,男 ,山东青岛人 ,在读硕士 ,主要研究 方向为步进电机控制与应用 ; 刘景林 ( 1964 —) , 男 , 河南开封 人 ,教授 ,博士生导师 ,主要研究方向为电机设计与控制 。
好的 P I D 参数实施控制很难达到理想的控制效果 。而 模糊控制主要是模仿人的控制经验而不依赖于控制对 象的模型 ,主要研究那些在现实生活中广泛存在的 、 定 性的 、 模糊的 、 非精确的信息系统的控制问题 , 但由于 它对信息进行简单的模糊处理会导致被控系统控制精 度的降低和动态品质变差 。针对这种情况 , 把模糊控 制和常规 P I D 控制有机地结合在一起 , 即采用了模糊 PI D 控制方案对步进电机进行控制 。本文对两种控制 方法进行了比较 ,并对模糊 P I D 控制方法进行了改进 , 提出了一种位置速度双闭环的步进电机控制系统 , 进 一步提高系统性能 。
基于MATLAB的PID控制器的仿真
1 常规 PID 控制器
110]；取 M=2，采用普通 PID 控制，其阶跃式跟
PID 控制器是一种线性控制器，其算法简 踪结果如图 1 所示。
单、鲁棒性好及可靠性高，被广泛应用于过程控
制和运动控制中，尤其适用于可建立精确数学
模型的确定性系统。然而实际生产现场中，常规
PID 控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运
行工况的适应性很差。
在炉温控制系统中对系统分析可将其近
似认为是一带有纯滞后的一阶惯性环节，对其
ÁÄÂÃÁÅÆ控制采用的常规PID控制。在使用中发现当系
统开工、停工或大幅度升降给定值时，短时间内
产生很大偏差，炉温控制的 PID 控制方法在积
分别采用积分分离 PID 和变速积分 PID 算法进
行设计，并用 MATLAB 软件对其进行仿真。 图 1 积分分离 PID 与常规 PID 控制器的阶跃
2 积分分离 PID 控制算法及仿真
跟踪比较
积分分离 PID 算法主要思路：当被控量与
由仿真结果可以看出，采用积分分离 PID
给定值偏差大于设定阈值时，取消积分作用，以 较常规 PID 控制器的，从其控制效果看，具有控
可避免系统产生过大的超调，又使系统有较快 的；若 α 过小，则会导致无法进入积分区，会使
的响应。
控制出现余差。
2.3 当系统 |error (k)|燮ε 时, 采样 PID 控
3 变速积分 PID 控制算法及仿真
制，以保证系统的控制精度。
变速积分 PID 的基本思想是：改变积分项
积分分离控制算法表示为：
4 结论 由仿真结果看出，变速积分与积分分离两 种控制方法很类似，但调节方式不同，前者对积 分项采用的是缓慢变化，而后者则采用所谓“开 关”控制。从对温度控制系统的控制仿真效果 看，两种算法具有控制速度快，超调小，线性控
基于MATLAB的电机仿真分析
基于MATLAB的电机仿真分析一、电机仿真基础在进行电机仿真分析之前，我们首先需要了解电机的工作原理和基本参数。
电机是一种将电能转换为机械能的设备，根据其工作原理的不同，可以分为直流电机和交流电机。
在进行仿真分析时，需要考虑到电机的电气和机械特性，例如电压、电流、转速、转矩等参数。
电机仿真分析的基础是建立电机的数学模型，通常采用的是电路模型或者有限元模型。
电路模型适用于小功率电机，其基本原理是根据电机的电气特性建立等效电路，并通过电路方程进行仿真分析。
有限元模型适用于大功率电机，其基本原理是根据电机的物理结构建立有限元模型，并通过有限元分析进行仿真分析。
在MATLAB中，可以利用Simulink或者PDE Toolbox等工具进行电路模型和有限元模型的建模和仿真。
三、基于MATLAB的电机仿真应用1. 电机性能分析基于MATLAB的电机仿真分析可以帮助工程师了解电机的性能和特点，例如电流波形、转速响应、转矩曲线等参数。
通过仿真分析，可以优化电机设计和控制系统，提高电机的效率和可靠性。
2. 电机故障诊断基于MATLAB的电机仿真分析还可以用于电机的故障诊断，例如定子短路、转子断路、轴承故障等。
通过对电机的电气特性和机械特性进行仿真分析，可以检测和诊断电机的故障类型和位置，从而及时进行维修和保养。
3. 电机控制系统设计基于MATLAB的电机仿真分析还可以用于电机控制系统的设计和优化。
通过搭建电机模型和控制系统模型，进行仿真分析和参数调节，可以得到最优的控制系统参数，提高电机的动态性能和稳定性。
四、结论基于MATLAB的电机仿真分析是一种有效的工具，可以帮助工程师更好地了解电机的性能和特点，优化电机设计和控制系统。
在实际工程中，可以根据电机的具体要求和情况选择合适的仿真方法和工具，进行仿真分析和应用研究。
随着MATLAB工具的不断更新和完善，电机仿真分析将得到更广泛的应用和发展。
基于MATLAB下的PID控制仿真
基于MATLAB下的PID控制仿真【摘要】自动化控制的参数的定值控制系统多采用P、I、D的组合控制。
本文通过MATLAB软件用于直流伺服电机对单位阶跃信号输入的PID控制进行动态仿真，显示了不同作用组合和不同增益设置时的动态过程，为系统控制规律的选择和参数设定提供了依据。
【关键词】自动化控制仿真直流伺服电机MATLAB PID【引言】现代自动化控制中，参数的自动控制占有很大的比例，这些控制多采用P 、I 、D 的组合。
通常情况下，对系统的动态过程利用微分方程经拉普拉斯变换导出时间函数，可得到输出量的时间函数，但要得到系统的动态响应曲线，其计算量庞大。
因而在一般情况下对控制结果很难得到精确的预见。
矩阵实验室（Matrix laboratory,MATLAB ）软件是一个适用于科学计算和工程应用的数学软件系统，历尽20多年的发展，现已是IEEE 组织认可的最优化的科技应用软件。
该软件有以下特点：数值运算功能强大；编程环境简单；数据可视化功能强；丰富的程序工具箱；可扩展性能强等。
在本文中以工程控制中常用的直流伺服电机的自动控制为例，演示MATLAB 编程在自动控制系统动态仿真中的应用。
【理论推断】1.直流伺服电机模型1.1直流伺服电机的物理模型图1 直流伺服电机的物理模型αu ---电枢输入电压（V ） a R ---电枢电阻（Ω） S L ---电枢电感（H ） q u ---感应电动势（V ） g T ---电机电磁转矩（N m ⋅） J---转动惯量（2m kg ⋅） B---粘性阻尼系数（s m N ⋅⋅） g i ---流过电枢的电流（A ）θ---电机输出的转角（rad ）本文所采用的直流伺服电机的物理模型和参数如图1所示。
1.2直流电机的数学模型1.2.1基本方程根据基尔霍夫定律和牛顿第二定律对图1所示的电机列基本方程：DTD LR i u u i qs+=- ①DTD JTgθ2= ②K i Tt a g= ③DTD k u eq θ= ④式中：t K 为电机的转动常数（m N ⋅）A ；e K 为感应电动势常数（s V ⋅）rad 1.2.2电机的传递函数对上式进行拉普拉斯变换，得：)()()()()()()()()()()(2s s K s U K s I s T s Bs s Js s T s I s L R s I s U s U e q t a g g a a a a q a θθθ⋅=⋅=⋅+⋅=⋅+⋅=-设)()(s s s θ⋅=Ω，则图1所示的伺服直流电机模型的方框图如图2所示图2 直流伺服电机模型方框图消去方程组（2）的中间变量，整理得sK K B Js R s L K s U s s G C t a d ta ]))([()()()(+++==θ即G(S)为图2所示系统的开环传递函数设图2中的系统参数如下：s m uN B m mg J ⋅⋅=⋅=51.3,23.32A m N K K uH L R e t a a )(03.0,75.2,4⋅===Ω=2.MATLATB 仿真较简单的方法Mfile 方法，即新创建一个M程序文件，然后将其在MATLAB Windows 主界面内运行，MATLAB软件会自动绘制出系统对外界输入的响应曲线。
基于Matlab的步进电机闭环建模与仿真
-k - G ai n3 -k - G ai n410 G ai n1× P r o duc t 1++ 1 1 E× d u /d t 20 D er iv ativ e1 G ai n2O u t+ A dd1 P r o duc t 2 F u zzy Lo g i c 1Co n tr o ll er-k - G ai n5sI nte g r ato r1×P r o duc t 3t 10=T 姨 姨姨t 11= T t = T s姨 姨 姨姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨doi:10.13436/j.m kjx.201403016基于 M atlab 的步进电机闭环建模与仿真陈 翔， 崔志琴， 徐兆华（中北大学 机电工程学院， 太原 030051）摘 要： 通过综合运用模糊 PID 控制算法、空间电压矢量脉宽调制方法（SVPWM ）与矢量转换 技术，搭建了一种包括速度闭环与电流矢量闭环的二相混合步进电机双闭环的控制系统，并借助于 MATLAB/Sim ulink 强大的建模仿真功能，对步进电机双闭环控制系统进行了仿真分析。
相关仿 真结果表明，该控制系统具有较好的控制性能与动态响应能力。
关键词： 模糊 PID ； SVPWM ； 步进电机； 闭环仿真 中图分类号： TP273文献标志码： A文章编号： 1003 － 0794（2014）03 － 0035 － 02Closed-Loop Modeling and Simulation of Stepper Motor Based onM atlabCHEN Xi an g ， CUI Zhi -qi n ， XU Z hao-hua(College of M echanical and Electrical Engineering ， North University of China, Taiyuan 030051, China)A b s trac t: A control system of double close d -loop f or two -pha se hybrid ste ppe r motor whic h including spee d close d -loop a nd curre nt close d -loop is esta blishe d base d on f uzzy -P ID control algorithm , spac e vector pulse width modulation (SVPWM ) method a nd space vec tor conversion, and the pe rforma nce of the doubled close d -loop control syste m of steppe r motor is analyze d by the powerful mode lling and sim ula tion f unc tion of MATLAB/Sim ulink. The simula tion results show tha t the control system has f a vora ble control perform ance and dynam ics c ha rac te ristic.K e y w ord s : f uzz y-P ID ； SVPW M ； ste ppe r motor ； c los ed-L oop sim ula tion 0 引言在传统的步进电机闭环控制中，控制器常采用 的算法为 PID 或模糊控制方法。
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1 !肖 金球,单片机原理与接 口 技术I 工 M 北京: 清华 大学出版社,20 4 0
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高 新技 术
基于M ATLAB 的 步进电机P D 闭环控制系统仿真 I
石 建飞
(黑龙江八 一农 垦大学信息技 术学院, 黑龙江 大庆 !63 19 3 )
摘 要:本文根据两相混合式步进电机的细分驱动原理, 利用 M A T A B 建立其 P D 闭环控制系统仿真模型 通过 系统仿真, 分析步进 I I 电机 P D 控制下系统的响应情况, 从而提高系统的控制和运行精度 , 具有一定的工程实用价值 I 关键词 : 步进 电机;P D 细分驱动 I ; 步进电机作为数字控制系统中的一种执行 元件 , 非常适合在精度和稳定胜要求不高的位 置或速度控制系统中开环运行, 且控制方式简 单 " 由于步进电机开环控制时无法保证步进电
出版 社 2 0 6 .
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叫 们 一洲 粗 ; 孺 圈一 三 一
图 2 细分子模块
图 4 PID 闭环控 制系统仿真模型
设系统输人为 1 :a 的位置给定, 给定位 0 d 置和实际位置相减之后经过 P D 控制器调解和 I
3 1 周尊源. 正弦波细分步进电机微步驱动器} 升微 特电机.199 . 7 作者简介:石建飞, (19 5一, 男,哈 尔滨理工 7 大学硕士毕业, 讲师, 现主要从事电力电子与电
力传动 方面的研 究
i 二 U王 即! N L ) I l sB u职 sB 山 i C rR zeo胆 sB u助 ; D el 150 : a试 ) br 坛 } a e }} 6 结论 利用短消息模块来对由主控制器检测出的 温度 ! 烟雾 ! 水禁 ! 门禁和故障信号进行传输 , 并
同时把由主控中心反馈的信息回传到主控中 :心,减小了地域和空间的影响 " 既能保证监控系 统的叮靠性同时又减少了企业的运营成本 因 此该远程智能监控系统具 有广泛的应用前景
机不存在失步或者超步, 从而稳定性和准确性 都难以保证, 这将直接影响系统性能"为了提高 步进电机控制系统的精度和准确度 , 同时也保 证控制系统简单, 通常采用闭环控制的方法来 提高系统的精度 "
象 根据细分驱动控制的原理建立细分仿真子 模块如图2 所示 在仿真中采用 16 细分控制,仿真结果如图 3 所示 从图中可以明显的看出,采用细分控制 后, 电机输出角位移更加平稳, ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ频振荡明显 降低 同时较小的步距角能够提高系统定位精
) a (
细分前
根据此算法建立 PI 子 D 模块如图 1所示
间 细分后 图 3 细分前后电机输出角位移
图5 不同参数下 P D 控制的响应曲线 I
3 结论 通过仿真分析.步进电机,在加人电流和速 度控制反馈环后 , 系统组成了双闭环系统, 并通
2 P D 控制系统仿真 I 图 1 P ID 子模块 由于细分控制仅仅采用电流闭环, 故可以 书l 由于步进电机本身存在低频振荡的影响, 将其作为位置闭习 制的 州!内环加人到步进 为了 消除振荡 ,只有减小电机每步前进的角度 " 电机 P D 控制系统中" 如此可以将开环步进电 I 由于受到工艺和成本的限制,步进电机转子齿数 机控制系统改造为闭环系统, 步进电机 P D 控 I 不可能无限增多所 以只能通过细分驱动控制减 制系统结构框图如图4 所示 " 小步进角度 " 目 , 最常用的细分控制方法为 前 /正弦阶梯波 0 法,使绕组电流近似成为正弦波的 形式, 这样可以更好地降低电机的低频振荡现
度"
1 P D 与细分模块 I 在工业过程控制中, P D 控制系统是应用 I 最广泛的, 其 有原理简单 ! 无需精确数学模 具 型! 应用面宽等优点 "P D 调节是根据系统的误 I 差,按偏差的比例助 ! 积分¹ 和微分山) 进行控制 的, 在被控对象的结构与参数不能完全掌握,或 得不到精确的数学模型等情况下,可以通过 P D I 闭环控制来有效提高控制系统的精度和性能 " 随着计算机技术的快速发展, P D 控制器都通 I 过数字控制来实现, 并且利用计算机的强大功 能,不断改进数字 P D 控制规律潮 着更加灵活 I 和智能化的方向发展 "其中增量式 P D 算法在 I 实际中就多被采用其 算法如下:
参 考文献
2 1 汤 竞南 , 沈 国琴 ! 单片机 C 语 言 开发 与 实 1 5 例I !北京: 人 民邮电出版社 , 2 0 . M . 0 8 1 2张峰 . SM S 模 块 T C 35 1 及其 外 围 电路 设 计 3 毋自 动化技术与用二 曰 5 5日74 9. 0 9
] 4 l 李从容. 利用C SM 短消息实现远程监控l }电 J.
一 曰 厂 c
过 P D 控制 , 在平衡位置时的速度振荡得到降 I 低, 有利于高精度定位的要求, 为以后的系统设 计 ,提供一定的参考依据 "
参考 文献
{]1 李维波. AT 人B 在电气工程中的应用阿l 匕 M J J . 京:中国电力出 版社. 2009. ] 2 l 史敬灼. 步进电机伺服控制技术I }北京:科学 M
v u ( ) = K , =( k )一e(k 一l)]+ K 声 )+ k r (k K D[ )一Z e(k 一l)+ e ( 一2)] e(k k
限幅模块控制电机的转速 " 在不同 P D 参数 卜 I 位置仿真输出如图5 所示,其中 P D 控制系统的 I 响应时间为45"这是由于在起始阶段月D 控制 器的 K . I 使得步进电机以较高速度 向期望位置 运行 ! 随着偏差的减小不P值逐渐减小. , ! ! r K Kl逐 渐接常数值,系统响应曲线趋于平缓 ) 当响应偏 差接近0 时 KI的增大使得系统能够较平稳地 达到期望位置而无振荡现象 , 这相对于常规响 应曲线,比较明显的提高在于起始阶段,系统响 应速度更快,最后趋于平衡位置的阶段, 曲线更 加平稳