PID控制器应用

课程设计报告

题目 PID控制器应用

课程名称

院部名称

专业

班级

学生姓名

学号

课程设计地点

课程设计学时

指导教师

金陵科技学院教务处制

1．课程设计应达到的目的

应用所学的自动控制基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行控制系统的初步设计。

应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。

2．课程设计题目及要求

1）单回路控制系统的设计及仿真。

2）串级控制系统的设计及仿真。

3）反馈前馈控制系统的设计及仿真。

4）采用Smith 补偿器克服纯滞后的控制系统的设计及仿真。

3．课程设计任务及工作量的要求

1)．单回路控制系统的设计及仿真。

（a）已知被控对象传函W(s) = 1 / (s2 +20s + 1)。

（b）画出单回路控制系统的方框图。

（c）用MatLab的Simulink画出该系统。

（d）选PID调节器的参数使系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线。注明所用PID调节器公式。给定值为阶跃响应幅值为3 。ID调节器公式Wc（s）=50+3/s+5s.

有积分作用的单回路控制系统：

（e）修改调节器的参数，观察系统的稳定性或单位阶约响应曲线，理解控制器参数对系统的稳定性及控制性能的影响？（需要回答）

无积分作用的单回路控制系统：Wc（s）=50+5s.

大比例作用单回路控制系统：Wc（s）=50.

比较三条响应曲线可以看出，两个PID参数均不如前面的理想。增大微分时间有利于加快系统的响应速度，减小系统的超调，增大积分时间有利于减小超调，减小震荡，但消除静差的时间变长。增大比例系数一般能加快系统的响应，但是过大的比例系数会使系统有较大的超调。

2)．串级控制系统的设计及仿真。

（a）已知主被控对象传函W

01(s) = 1 / (100s + 1)，副被控对象传函W

02

(s) = 1/

(10s + 1)，副环干扰通道传函W

d

(s) = 1/(s2 +20s + 1)。

（b）画出串级控制系统方框图及相同控制对象下的单回路控制系统的方框图。

串级控制系统

单回路控制系统

（c）用MatLab的Simulink画出上述两系统。

（d）选PID调节器的参数使串级控制系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线。

PID调节器传函：主：Wc（s）=（40+1）/(s+1) 副： Wc（s）=100（20s+1）单位响应曲线如图：

（e）比较单回路控制系统及串级控制系统在相同的副扰动下的单位阶约响应曲线，并说明原因？

比较两控制系统单位阶跃响应可得到串级控制系统的效果比较好。

因为串级控制系统改善了被控过程的动态特征，提高了系统的工作频率，具有较强的抗扰动能力，具有一定的自适应能力，能够准确及时地堆系统的一次扰动和二次扰动进行校正。

3)．反馈前馈控制系统的设计及仿真。

（a）已知被控对象传函W

0(s) = 1 / (s2 +s + 1)，干扰通道传函W

f

(s) = 1 / (s2

+2s + 5)，前馈随机干扰信号幅值 = 50，频率 = 10。

（b）确定前馈控制器的传函W

m

(s)，并画出反馈前馈控制系统的系统方框图及相应的单回路控制系统的方框图。

反馈前馈控制系统

单回路控制系统

（c）用MatLab的Simulink画出上述两系统。

(d）选PID调节器的参数使系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线。 PID调节器传函：Wc(s)=30(10s+1) / (5s+1)

设干扰源幅值为50，频率为10 Hz

（e）比较单回路控制系统及反馈前馈控制系统在相同的单位阶约扰动下的响应曲线，并说明原因？

上图是在干扰源频率为10 Hz的响应曲线单回路控制系统及反馈前馈控制系统的差别不是很大，这是由于干扰通道形成了滤波器效应造成的。

上图可知，不加前馈时，系统受到干扰较严重，加上前馈之后，前馈先将干扰去掉，使得系统不受到干扰的影响。

前馈反馈复合控制系统既发挥了前馈作用可及时克服主要扰动对被控量影响的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动的影响和可对被控量实行偏差检验的长处，同时也将降低系统对前馈补偿器的要求，使其在工程上易于实现。 在前馈反馈复合控制系统中，实现了将扰动完全补偿，即使响应的扰动为零，可得到5

21)(22++++-=s s s s s W 实现了干扰的完全补偿。 4)． 采用Smith 补偿器克服纯滞后的控制系统的设计及仿真。

(a) 已知被控对象传函数

W 0(s) = e - 4 s / (20s + 1)。

(b) 画出采用Smith 补偿器的反馈控制系统的系统方框图及相应的单回路控制系统的方框图。

(c) 用MatLab 的Simulink 画出上述两系统。

(d) 选PID 调节器的参数使采用Smith 补偿器的反馈控制系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线。PID 调节器传函：Wc(s)=40 /（2s+1） 采用Smith 补偿器的反馈控制系统：P=40，I=2，D=0

单回路控制系统：P=40，I=2，D=0

(e) 比较单回路控制系统及采用Smith 补偿器的反馈控制系统在相同的单位阶跃扰动下的响应曲线，并说明原因？（需要回答）

由上图可知，采用Smith 补偿后，可以完全消除滞后对系统的影响，而单回路控制系统不能消除滞后，使系统输出产生失真。

引入Smith 预估补偿器)1(1

201)1)(()(s t s t o s o o e s s W s W e

---+=-= 使调节器所控制的等效对象变为：