【正文】 理論知識在采樣控制系統(tǒng)中，通常把一個采樣周期稱作一拍。但不能克服純滯后，使用微分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)收斂周期的時間縮短。微分控制對誤差的導(dǎo)數(shù)，即變化率發(fā)生作用，有定的預(yù)報功能，有超前調(diào)節(jié)的作用，能在誤差有大的變化趨勢時施加合適的控制，Kd的值增大能加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少調(diào)節(jié)時間。積分控制器對以往的誤差信號發(fā)生作用，引入積分環(huán)節(jié)能消除控制中的靜態(tài)誤差，但Ki的值增大可能增加系統(tǒng)的超調(diào)量。 設(shè)計總結(jié)P、I、D控制參數(shù)的改變對系統(tǒng)控制效果的影響。增大微分時間常數(shù)Td（即減小微分系數(shù)Kd=Kp/Kd）有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。 當(dāng)Td變化，即Kd變化時Kd=圖126 波形圖10Kd=圖127波形圖11Kd=圖128 波形圖12Kd=圖129 波形圖13Kd=圖130 波形圖14結(jié)論：微分系數(shù)能預(yù)測誤差變化得趨勢，能抑制誤差的控制作用等于0，避免被控量的嚴(yán)重超調(diào)。主要改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。比例系數(shù)KP太小，系統(tǒng)動作緩慢，增大比例系數(shù)可提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，但會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生震蕩，使穩(wěn)定性變差。 調(diào)試Simulink仿真 改變PID控制某一控制參數(shù)（比例系數(shù)或積分系數(shù)或微分系數(shù)）時，系統(tǒng)對應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線的變化，并觀察闡述發(fā)生這種變化的規(guī)律。圖114 截圖1圖115 截圖2最后在matlab主窗口里輸入命令：plot(,)圖形即出。G_c=feedback(G*Gc,)。Td=。Kp=。圖110 封裝過程6圖111 PID控制圖 閉環(huán)傳遞函數(shù)為GC(s)= 期望系統(tǒng)對應(yīng)的閉環(huán)特征根為：300，300，30+j30和30j30，則特征方程為：S+300)2(S+30+j30)(S+30j30)=S4+660S3+127800S2+6480000S+162000000求得 KP= KI= KD= 。圖17 封裝過程3選擇MASK框框中的“Parameters”進行參數(shù)設(shè)置 圖18 封裝過程4添加參數(shù)，此參數(shù)必須與上文設(shè)置的參數(shù)對應(yīng)否則無效，如圖19 所示。 總體方案設(shè)計首先，運用MATLAB/Simulink軟件對控制系統(tǒng)進行建模并對模塊進行參數(shù)設(shè)置，然后使用期望特性法來確定Kp、Ti、Td以及采樣周期T，得到期望系統(tǒng)對應(yīng)的閉環(huán)特征根，最后通過改變PID的某一個參數(shù)，觀察此參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。 設(shè)計要求已知某晶閘管直流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制器選用 PID控制器，結(jié)構(gòu)如圖13所示。 （4）快速系統(tǒng)的T應(yīng)取小，反之，T可取大些。若單路采樣時間為，則采樣周期，N為測量控制回路數(shù)。 采樣時間T的選擇（1）T越小，隨動性和抗干擾性能越好。微分控制參數(shù)TD對控制性能的影響微分控制可以改善動態(tài)特性，如超調(diào)量減少，調(diào)節(jié)時間縮短，允許加大比例控制，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。(2) 對穩(wěn)態(tài)性能的影響 積分控制參數(shù)TI能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。積分控制參數(shù)TI對控制性能的影響(1) 對動態(tài)性能的影響積分控制參數(shù)TI通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。2 小組分工一、數(shù)字PID閉環(huán)直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真實現(xiàn) 基本理論知識 數(shù)字PID的控制算法位置式PID控制算法：圖11 位置式PID控制算法結(jié)構(gòu)框圖增量式PID控制算法圖12 增量式PID控制算法結(jié)構(gòu)框圖 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)對控制性能的影響不同Kp對控制性能的影響(1) 對動態(tài)性能的影響比例控制參數(shù)Kp加大，使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快；Kp偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長；當(dāng)Kp太大時，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定；若Kp太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢。MATLAB的自動控制輔助設(shè)計功能，包括建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，Simulink在系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用等?！队嬎銠C控制仿真課程設(shè)計》課程設(shè)計報告2013年7月10日目錄引言 21計算機控制仿真簡介 22 小組分工 2一、數(shù)字PID閉環(huán)直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計和仿真實現(xiàn) 2 基本理論知識 2 設(shè)計要求 2 總體方案設(shè)計 2 詳細設(shè)計 2 調(diào)試Simulink仿真 2 設(shè)計總結(jié) 2二、最少拍無紋波計算機控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真實現(xiàn) 2 基本理論知識 2 設(shè)計要求 2 2 設(shè)計總結(jié) 2三、大林算法計算機控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真實現(xiàn) 2 設(shè)計要求 2 總體方案設(shè)計 2 基本理論知識 2 大林算法具體設(shè)計 2 Simulink仿真部分 2四、二階彈簧—阻尼系統(tǒng)的PID控制器設(shè)計及其參數(shù)整定 2 設(shè)計要求 2 總體方案設(shè)計 2 基本理論知識 2 詳細設(shè)計 2 設(shè)計總結(jié) 2五、二階系統(tǒng)串聯(lián)校正裝置的設(shè)計與分析 2 設(shè)計要求 2 基本理論知識 2 詳細設(shè)計 2 設(shè)計總結(jié) 2六、單級倒立擺的最優(yōu)控制器設(shè)計 2 設(shè)計要求 2 總體方案設(shè)計 2 基本理論知識 2 詳細設(shè)計 2 調(diào)試Simulink仿真 2 設(shè)計總結(jié) 2七、參考文獻 2引言1計算機控制仿真簡介計算機控制仿真技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的一種綜合性實驗技術(shù)，它建立在系統(tǒng)科學(xué)、系統(tǒng)建模、控制理論、計算機技術(shù)及計算方法等學(xué)科的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)設(shè)計、研究和決策提供了一種先進而有效的手段，并已被廣泛應(yīng)用于工程及非工程領(lǐng)域，取得了顯著的成果。MATLAB是一種計算科學(xué)軟件，利用它可以解決自動控制中遇到的問題。主要有數(shù)據(jù)可視化、創(chuàng)建用戶圖形界面和簡單數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理等，數(shù)據(jù)或圖形的可視化是進行數(shù)據(jù)處理或圖形圖像處理的第一步，它不僅僅是二維，還可以是三維空間。 (2) 對穩(wěn)態(tài)性能的影響加大比例控制系數(shù)Kp，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差提高控制精度，卻不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。TI太小系統(tǒng)將不穩(wěn)定，TI偏小，振蕩次數(shù)較多，TI太大，對系統(tǒng)性能的影響減少。但TI太大時，積分作用呆太弱，以至不能減少穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)TD偏大時，超調(diào)量較大，當(dāng)TD偏小時，超調(diào)量也較大，調(diào)節(jié)時間也較長。（2）必須滿足采樣定理的要求，對于隨動系統(tǒng) ，為系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率。（3）選擇采樣周期T太小，將使微分積分作用不明顯。（5）執(zhí)行機構(gòu)動作慣性大時，T應(yīng)取大些。圖13 某晶閘管直流單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖要求：運用 MATLAB/Simulink 軟件對控制系統(tǒng)進行建模并對模塊進行參數(shù)設(shè)置；封裝PID模塊的控制圖；使用期望特性法來確定 Kp、 Ti、Td以及采樣周期 T，期望系統(tǒng)對應(yīng)的閉環(huán)特征根為：300，300，30+j30和30j30，觀察其單位階躍響應(yīng)曲線，得出仿真結(jié)果并進行仿真分析；記錄在改變PID控制某一控制參數(shù)（比例系數(shù)或積分系數(shù)或微分系數(shù)）時，該系統(tǒng)對應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線的變化，并觀察闡述發(fā)生這種變化的規(guī)律；總結(jié)P、I、D控制參數(shù)的改變對系統(tǒng)控制效果的影響。 詳細設(shè)計 模擬PID控制器的設(shè)計：圖14 Simulink設(shè)計框圖，畫出圖15，左擊選中全部框框（不包括in1，out1），圖15 封裝過程1 右擊菜單選擇“creat system”，變?yōu)?圖16 封裝過程2 右擊中間的框框“in1out1”，在右擊的菜單中選擇“mask system”，先直接輸入disp（‘PID控制器’），點右下角 Applay，這是在給你封裝的子系統(tǒng)命名為“PID控制器”。圖19 封裝過程5到此，PID的設(shè)置基本完成，點OK即可。程序如下：G=tf(1138930,[1,660,36810,486000])。Ti=。Gc=tf(Kp*[Ti*Td,Ti,1]/Ti,[1,0])。step(G_c),hold on113120550(KDS2 +Kps+KI ) ≈7579077s2+49540349s+1350003267 設(shè)置比例積分微分增益如下圖112所示：圖112 設(shè)置PID參數(shù)仿真結(jié)果如圖113所示：圖113 仿真結(jié)果 數(shù)字PID控制器的設(shè)計由位置式PID控制算法計算得： KP= KI= KD= 步驟一：將Simulink去處方塊圖庫(Sink Block Library)中To Workspace方塊(請參考圖一)拖到系統(tǒng)模型檔案中，并將它連接到系統(tǒng)的輸出端子上 步驟二：然后，雙擊示波器scope，在其屬性的datahistory里，勾選save data to workspace,然后，雙擊simout模塊，選擇structure with time。圖116 仿真圖 仿真結(jié)果分析根據(jù)仿真結(jié)果，我們可以得到數(shù)字PID控制器控制的系統(tǒng)輸出，系統(tǒng)可快速達到穩(wěn)態(tài)，但是相對于模擬PID控制器的輸出，系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性均有一定程度的降低。 當(dāng)Kp變化時 Kp=1時圖117 波形圖1Kp=5時圖118 波形圖2Kp=10時圖119 波形圖3Kp=20時圖120 波形圖4調(diào)節(jié)圖形顯示范圍：圖121 波形圖5結(jié)論：比例系數(shù)只改變系統(tǒng)的增益，對系統(tǒng)的影響主要反映在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和穩(wěn)定性上。 當(dāng)Ti變化，即Ki變化時Ki=30時圖122 波形圖6Ki=60時圖123 波形圖7Ki=120時圖124 波形圖8Ki=240時圖125 波形圖9結(jié)論：積分控制主要目的使系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差。增大積分時間有利于減小超調(diào)，減小震蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時間變長。主要改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分系數(shù)Kd對系統(tǒng)超調(diào)的抑制作用非常明顯。PID控制的結(jié)構(gòu)比較簡單，但三個系數(shù)有著比較明顯的意義：比例控制其直接響應(yīng)與當(dāng)前的誤差信號，一旦發(fā)生誤差信號，則控制其立即發(fā)生作用以減少偏差，Kp的值增大則偏差將減小，然而這不是絕對的，考慮根軌跡分析，Kp無限增大會使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分作用太強也會引起振蕩，太弱會使系統(tǒng)存在余差。對滯后大的對象有很好的效果。微分時間太長也會引起振蕩。在典型輸入信號作用下，經(jīng)過最少拍，使輸出量采樣時刻的數(shù)值能完全跟蹤參考輸入量的數(shù)值，跟蹤誤差為零的系統(tǒng)稱為最少拍系統(tǒng)。亦即希望系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)為 （24）式中：F(z)為H(z)的分子多項式，k為某一整數(shù)。式（24）表明了離散系統(tǒng)中，為了使過渡