【正文】 在校領(lǐng)導(dǎo)、老師和同學(xué)的共同努力下，我的畢業(yè)設(shè)計才得以如期順利的完成，在此，我衷心的感激他們，真誠的說一聲 “ 謝謝 ” 。 畢業(yè)設(shè)計的順利完成，除了我努力，更多的是我的指導(dǎo)老師給予的鼓勵、支持和幫助。由于本人的知識水平有限，在設(shè)計過程中也許很多問題還未能全面考慮，希望老師以及同學(xué)能給以更好的建議，再次感謝老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助。并且每間隔 1S產(chǎn)生一次擾動。 系統(tǒng)在不同給定信號的響應(yīng)曲線 圖 給定信號為階躍時，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 圖 給定信號為方波時，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計說明書 ２３ 圖 給定信號為正弦波（ F=1HZ）時，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 由于電液伺服位置控系統(tǒng)具有響應(yīng)快的特點，從圖 ，無論是給定階躍波形、方波還是正弦波， PID控制器都能較快地跟蹤給定波形，并且能夠達到一定的精度。明顯單在 PI 控制下該系統(tǒng)還未能滿足系統(tǒng)各性能的要求，下面嘗試用 PD校正來改善。 控制器的仿真分析 比例控制器（ P） 圖 比例 P控制 由此可知道隨著的增加系統(tǒng)響應(yīng)的速度加快，超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差變大，穩(wěn)定時間也變長；若較小，系統(tǒng)的響應(yīng)時間又太長。 (3)狀態(tài)欄：以圖 為例，“ Ready”表示建模已完成；“ 100%”表示編輯框模型的顯示比例；“ ode45”表示仿真所采用的算法。 即可打開一個名為 untited 的空的模型窗口，如圖 所示。窗口的右半部分是對應(yīng)于左窗口打開的庫中包含的子庫或模塊。 圖 電液伺服位置 控系統(tǒng)的仿真模型圖 此次仿真中主要在 MATLAB 環(huán)境中啟動 SIMULINK，起啟動方法： (1)在 MATLAB 的命令窗口中輸入 simulink 命令； (2)單擊 MATLAB 工具條上的 SIMULINK 圖標 。 (3)專用模塊庫 (Blocksets) SIMULINK 提供了許多專用模塊庫，如 DSP Blocksets 和 Communication Blocksets 等。菜單方式對于交互工作特別方便，而命令行方式對大量重復(fù)仿真很有用。整個建模的過程只需用鼠標進行單擊和簡單拖動即可實現(xiàn)。 SIMULINK 工具箱中主要有以下內(nèi)容，如圖 。雖然 Cleve Moler 教授開發(fā)它的初衷是為了更簡單、更快捷地解決矩陣運算，但 MATLAB 現(xiàn)在的發(fā)展已經(jīng)使其成為一種集數(shù)值運算、符號運算、數(shù)據(jù)可視化、圖形界面設(shè)計、程序設(shè)計、仿真等多種功能于一體的集成軟件。在整定時將積分系數(shù) KI 由小逐漸增加 ,積分作用就逐漸增強 ,觀察輸出會發(fā)現(xiàn) ,系統(tǒng)的靜差會逐漸減少直至消除。 陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計說明書 １４ PID 控制器的設(shè)計 比例部分整定 首先將積分系數(shù) KI和微分系數(shù) KD取零 ,即取消微分和積分作用 ,采用純比例控制。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào) ,并產(chǎn)生振蕩使穩(wěn)定性變差。 (3)按照下表的經(jīng)驗公式以及對應(yīng)的調(diào)節(jié)器類型整定相應(yīng)的 PID 參數(shù)，然后再進行仿真校驗和微調(diào)。 陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計說明書 １３ 10： 1 衰減曲線法 整定調(diào)節(jié)參數(shù)步驟和 4： 1 衰減曲線法完全一致，僅采用的整定參數(shù)和經(jīng)驗公式不同。 (2)根據(jù)δ s和 Ts值按以下公式計算出調(diào)節(jié) 器整定參數(shù) ,如表 ： 表 4： 1 衰減曲線法 PID 參數(shù)整定經(jīng)驗公式 調(diào)節(jié)規(guī)律 調(diào)節(jié)器參數(shù) 比例度 δ，單位：％ 積分時間 Ti，單位： min 微分時間 Td，單位： min P δ s PI δ s Ts PID δ s Ts Ts (3)將比例度放在比計算值略大的數(shù)值上，逐步引入積分和微分作用。多數(shù)情況下系統(tǒng)均能穩(wěn)定運行狀態(tài)，如果還未達到理想控制狀態(tài)，進需要對參數(shù)微調(diào)即可。此時調(diào)節(jié)器的比例度為臨界比例度δ k，被調(diào)參數(shù)的工作周期為為臨界周期 Tk。 PID 控制器參數(shù)的工程整定法，主要有臨界比例度法（又稱穩(wěn)定邊界法）、反應(yīng)曲線法和 4:1 衰減法。這種方法一般較難做到，同時，得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接使用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。準確有效的選定 PID 的最佳整定參數(shù)是關(guān)于 PID 控制器是否有效的關(guān)鍵部分。 微分環(huán)節(jié)作用系數(shù) Td 的作用：改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。 積分環(huán)節(jié)作用系數(shù) Ti的作用：消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 PID 控制特點 理論 和實踐證明，即便是整定得很好的 PID 參數(shù)值，系統(tǒng)響應(yīng)的快速性與超調(diào)量之間也存在矛盾，二者不可能同時達到最優(yōu)，且系統(tǒng)在跟蹤設(shè)定值與抑制擾動方面對控制參數(shù)的要求也是矛盾的。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后 (delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。因而，只要比例 微分 積分 被控對象 ??trin + ??tyout + + 陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計說明書 ９ 有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。 積分控制的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Ti， Ti 越大，積分作用越弱，反之則強。 PID 控制系統(tǒng)設(shè)計原理 在模擬控制系統(tǒng)中，控制器中最常用的控制規(guī)律是 PID 控制 .模擬 PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示。 綜上，不考慮負載干擾情況下系統(tǒng)方塊圖為 : 圖 制 系統(tǒng)化簡方塊圖 由圖 所示的方塊圖可以得出系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 ???????? ?????????? ??? 1212s)s(2222sv)()(ssssGKHGhhhsvsvsvVSS?????? () 式中 KV—— 開環(huán)增益（也稱放大系數(shù)） pSVSPAKKK?VK （ ） 通常，與液壓缸 負載相比，伺服閥的響應(yīng)速度很高，可以看成比例環(huán)節(jié)，即 ()svGs=1，因此，系統(tǒng)的開環(huán)函數(shù)可化簡為 ???????? ??? 1222)()( sssKHGhhhVSS??? （ ） 陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計說明書 ７ 電液位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模 系統(tǒng)的具體數(shù)據(jù)： 項 目 液壓缸有效面積 (Ap) 負載力 (FL) 液壓阻尼比 （ξ h） 液壓固有頻率 (ω h) 動態(tài)柔性系數(shù) （ K2） 伺服閥 增益 (Ksv) 伺服閥固有頻率 (ω sv) 伺服閥阻尼比(ξ sv) 流量 壓力系數(shù) (Kce) 系統(tǒng)開環(huán)增益( VK ) 參 數(shù) 148 (cm2) 27468 (N) (rad/s) (s) 103 m3/(s?A) 157 (rad/s) 1012 (m3/s?Pa) 416 求得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) ： 22 416( ) ( ) 2 0 . 7 2 0 . 2( 1 ) ( 1 )1 5 7 1 5 7 8 8 . 8 8 8 . 8G s H s sss s s? ??? ? ? ? ssss 8263442510 ???????? ?? 三、 PID 控制器的設(shè)計 PID 控制規(guī)律做為經(jīng)典控制理論的最大成果之一，由于其原理簡單且易于實現(xiàn)，具有一定的自適應(yīng)性和魯棒性，對于無時間延時的單回路控制系統(tǒng)很有效，在工業(yè)過程控制中仍被廣泛采用。只要輸入某一規(guī)律的輸入信號，執(zhí)行元件就能啟動、快速并準確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律 典型電液位置伺服控制系統(tǒng)如圖 圖 電液位置伺服系統(tǒng) 原理圖 計 算 機D / A放 大 器 比 例 方 向 閥 液 壓 缸 負 載位 移 傳 感 器A / D陽泉 學(xué)院 — 畢業(yè)設(shè)計說明書 ５ 電液位置伺服機構(gòu)的基本要求 本系統(tǒng)是一種試驗系統(tǒng)，作為對電液伺服系統(tǒng)進行控制的研究平臺，要求監(jiān)控軟件具有擴展性，能調(diào)用不同控制方法來對電液伺服系統(tǒng)進行控制研究。大多數(shù)的液壓系統(tǒng)都 有非線性特點，傳遞函數(shù)分析法看似不能使用，其實如果進行適當(dāng)?shù)暮喕幚砼c非線性 線性化處理，傳遞函數(shù)分析法還是能夠?qū)σ簤合到y(tǒng)的動態(tài)性能進行分析。它主要為系統(tǒng)提供驅(qū)動負載的液流。在負載運動輸出的某一參數(shù)值，系統(tǒng)的控制量便可按照需要從輸出量中選擇其 中的某一量。 (4)電液控制閥：包括電液伺服閥、電液比例閥等，其將電信號轉(zhuǎn)換成液壓量（液流的壓 力 及流量）輸出。 (2)比較單元：作用是比較控制信號和反饋信號，通過對比相減得出偏差信號。所以，這樣的系統(tǒng)大量廣泛的應(yīng)用在工程機械、大型實驗設(shè)備、船艦、航空航天、雷達部門。實體模型是一種物理模型。模型可視為對真實世界中物體或過程的信息進行形式化的結(jié)果。相關(guān)性是指系統(tǒng)的各個部分、元素之間是相互聯(lián)系的，存在物質(zhì)、能量與信息的交換。 二、 電液位置控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模 系統(tǒng)是指其有某 些特定功能，相互聯(lián)系、相互作用的元素的集合。 研究內(nèi)容及目的 （ 1）了解電液 位置 控伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點。因此，電液伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真受到越來越多的重視。在其它物理量的控制系統(tǒng)中，如速度控制和力控制等系統(tǒng)中，也常有位置控制小回路作為大回路中的一個環(huán)節(jié)。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展進步，軍事、航空、宇航技術(shù)對所應(yīng)用的系統(tǒng)有了高精度，快速，大功率的要求。 20 世紀初控制理論及其應(yīng)用飛速發(fā)展，使古典控制理論走向成熟，這為電液控制伺服技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。 陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 畢 業(yè) 生姓 名 ： 專業(yè) ： 電氣自動化技術(shù) 學(xué)號 ： 指導(dǎo)教師 ： 所屬系（部） ： 信 息 系 二〇一五年九月 I 陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計評閱書 題目： 基 于 MATLAB 的電液位置伺服控制系統(tǒng)的建模與仿真研 究 信息 系 電氣自動化技術(shù) 專業(yè) 姓名 設(shè)計時間： 2021 年 9 月 21 日 ~2021 年 11 月 22 日 評閱意見： 成績： 評閱教師： （簽字） 職 務(wù)： 201 年 月 日 陽泉學(xué)院 II 畢業(yè)設(shè)計評閱書