《计算机控制技术》课程设计--数字pid控制器华北水利水电大学路亚斌,201009532
《计算机控制技术》课程设计
姓名: 路亚斌
学号: 201009532
指导老师: 徐俊红
王亭岭
时间:2013年12月23日
——2014年1 月3日
《计算机控制技术》课程设计
华北水利水电大学路亚斌,201009532
目录
第一章《计算机课程设计》任务书................................................................ 错误
~未定义书签。
1.1 题目二:数字PID控制器设
计 ............................................................... 错误
~未定义书签。
1.1.1设计位置式PID控制器和增量式PID控制
器 ............................. 错误~未定义书签。
1.1.2模拟PID控制器设
计 ...................................................................... 错误~未定义书签。
1.2 题目三:控制系统的状态空间设计...................................................................... . (1)
1.2.1 确定状态反馈阵
K ...................................................................... . (1)
1.2.2 确定一个全维状态观测器L........................................................... 错误~未定义书签。第二章位置式PID控制器设
计 ..................................................................... .. 错误~未定义书签。
2.1 位置式PID控制器算
法 ..................................................................... ...... 错误~未定义书签。
2.1.1 位置式PID控制算法表达
式 ......................................................... 错误~未定义书签。
2.1.2 位置式PID算法传递函
数 ............................................................. 错误~未定义书签。
2.2 位置式PID控制器simulink仿
真 ............................................................ 错误~未定义书签。
2.2.1 位置式PID控制器simulink仿
真 .................................................. 错误~未定义书签。
2.2.2 simulink仿真重要模块参数设
置 ..................................................... 错误~未定义书签。
2.2.3 simulink仿真Scope响应曲
线 ..................................................................... (4)
2.3 位置式PID控制器的应用范围及特
点 ..................................................................... ............ 5 第三章增量式PID控制器设
计 ..................................................................... .. (6)
3.1 增量式PID控制器算
法 ..................................................................... (6)
3.1.1 增量式PID控制算法表达
式 ..................................................................... (6)
3.1.2 增量式PID算法传递函
数 ..................................................................... . (6)
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华北水利水电大学路亚斌,201009532
3.2 增量式PID控制器simulink仿
真 ..................................................................... (6)
3.2.1 增量式PID控制器simulink仿
真 ..................................................................... .. (6)
3.2.2 simulink仿真重要模块参数设
置 ..................................................................... .. (7)
3.2.3 simulink仿真Scope响应曲
线 ..................................................................... (8)
3.3 增量式PID控制器的应用范围及特
点 ..................................................................... ............ 8 第四章模拟PID控制器设
计 ..................................................................... (9)
4.1 simulink开环单位阶跃响应...................................................................... . (9)
4.1.1 重要模块参数设置及仿真设置...................................................................... . (9)
4.2 simulink闭环单位阶跃响应....................................................................... 错误~未定义书签。
4.2.1 闭环模块及其参数设置....................................................................
错误~未定义书签。
4.2.2 PID参数整
定 ..................................................................... ................ 错误~未定义书签。第五章求状态反馈阵K....................................................................... ............. 错误~未定义书签。
5.1 求闭环系统的期望极点...................................................................... ...... 错误~未定义书签。
5.2 求出开环系统的状态空间表达式............................................................ 错误~未
定义书签。
5.3 判断开环系统的能控能观性....................................................................
错误~未定义书签。
5.4 求用于极点配置的状态反馈矩阵
K ...................................................................... (17)
5.5 simulink中仿真...................................................................... ...............................................18 第六章配置状态观测器...................................................................... .............. 错误~未定义书签。
6.1 检验开环系统是否能观...................................................................... ...... 错误~未定义书签。
6.2 观测器极点配置...................................................................... .................. 错误~未定义书签。
6.3 求出观测器增益矩阵
L ...................................................................... ...... 错误~未定义书签。
6.4 求全维状态观测器方程...................................................................... ...... 错误~未定义书签。
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参考文献...................................................................... .......................................... 错误~未定义书签。
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第一章《计算机课程设计》任务书
1.1 题目二:数字PID控制器设计
1.1.1设计位置式PID控制器和增量式PID控制器
数字PID控制器的两种基本算法如下
,1,、数字PID位置型控制算法:
k
,,,,,,,,,,uk,Ke(k),Kej,Kek-ek-1PID,,j0
TTd,, KI,KP,KD,KP,,TIT,,
,2,、数字PID增量型控制算法:
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,uk,uk,uk,1,KPek,ek,1,KIe(k),KDek,2ek,1,ek,2
要求熟练掌握这两种算法和其各自应用范围及特点,被控对象同题目三,使得单位阶
tp,1s,%,40%跃响应的,。
1.1.2模拟PID控制器设计
1G,,s,,,,,ss,4s,8 已知系统开环传递函数为,在simulink中建立PID闭环控制仿真
tp,1s,%,40%模型,使得单位阶跃响应的,。
1.2 题目三:控制系统的状态空间设计
1G,,s, 已知被控对象模型为,,,,ss,4s,8
1.2.1 确定状态反馈阵K
使相对于单位阶跃参考输入的输出过渡过程,满足如下的期望指标:
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tp,0.4s%,20%,,。
1.2.2 确定一个全维状态观测器L
使得通过基于状态观测器的状态反馈,满足上述期望的性能指标。
第二章位置式PID控制器设计
2.1 位置式PID控制器算法
2.1.1 位置式PID控制算法表达式
k
,,,,,,,,,,uk,Ke(k),Kej,Kek-ek-1PID ,,j0
2.1.2 位置式PID算法传递函数
2.2 位置式PID控制器simulink仿真
1G,,s, 已知被控系统开环传递函数为,在simulink中建立PID闭环控制仿,,,,ss,4s,8
tp,1s,%,40%真模型,使得单位阶跃响应的,。
2.2.1 位置式PID控制器simulink仿真
仿真时间10s,采样时间0.1s,仿真如图2-1所示。
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图2-1 单位阶跃信号位置式PIDsimulink仿真
2.2.2 simulink仿真重要模块参数设置
输入信号为单位阶跃信号,参数设置如图2-2-1所示,Discrete Filter模块参数设置如图2-2-2所示,被控对象模型参数设置如图2-2-3所示。
图2-2-1 单位阶跃信号参数设置
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图2-2-2 Discrete Filter模块参数设置
图2-2-3 被控对象模型参数设置
2.2.3 simulink仿真Scope响应曲线
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%,40%tp,1s, Scope响应曲线如图2-3所示,符合性能指标、的要求,此时KP=160、KI=2、KD=60。
图2-3 Scope响应曲线
2.3 位置式PID控制器的应用范围及特点
在控制系统中,如果执行机构采用调节阀,则控制量对应阀门的开度,表征了执行机构的位置,此时控制器应采用数字PID位置式算法,如图2-4所示,
图2-4 数字PID位置型控制示意图
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第三章增量式PID控制器设计
3.1 增量式PID控制器算法
3.1.1 增量式PID控制算法表达式
,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,uk,uk,uk,1,KPek,ek,1,KIe(k),KDek,2ek,1,ek,2
3.1.2 增量式PID算法传递函数
3.2 增量式PID控制器simulink仿真
1 已知被控系统开环传递函数为G,,s,,在simulink中建立PID闭环控制仿,,,,ss,4s,8
tp,1s,%,40%真模型,使得单位阶跃响应的,。
3.2.1 增量式PID控制器simulink仿真
仿真时间10s,采样时间0.1s,仿真如图3-1所示。
图3-1 单位阶跃信号增量式PIDsimulink仿真
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3.2.2 simulink仿真重要模块参数设置
两个延迟模块参数设置如图3-2-1、3-2-2所示,阶跃信号模块参数设置同2-2-1。
3-2-1 Delay1模块参数设置
图3-2-2 Delay 模块参数设置
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3.2.3 simulink仿真Scope响应曲线
%,40%tp,1s, Scope响应曲线如图3-3所示,符合性能指标、的要求,此时
KP=120、KI=150、KD=30。
图3-3 Scope响应曲线
3.3 增量式PID控制器的应用范围及特点
在控制系统中,如果执行结构采用步进电机,则在每个采样周期,控制器输出的控制量,是相对于上次控制量的增加,此时控制器应采用数字PID增量型控制算法,如图3-4所示。
图3-4 数字PID增量型控制示意图
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第四章模拟PID控制器设计
4.1 simulink开环单位阶跃响应
4.1.1 重要模块参数设置及仿真设置
Sources模块库:一个Step模块,产生阶跃输入信号,参数设置如图4-1-1所示,Continuous模块库:一个Zero-Pole模块,开环传递函数,参数设置如图4-1-2所示。
选择simulation|configuration parameters,设置仿真参数,如图4-1-3所示,将以上模块进行连线和参数设置完毕后所建立的仿真模型如图4-1-4所示,单击开始仿真,从Scope模块显示中可观察到单位阶跃响应曲线如图4-1-5所示。
图4-1-1 Step模块参数设置图4-1-2 Zero-Pole模块参数设置
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图4-1-3 仿真参数设置
图4-1-4 simulink开环单位阶跃响应模型图7 开环单位阶跃响应
从Scope 显示的单位阶跃响应曲线可以看出系统极不稳定。因此,采用PID控制规律,建立闭环控制系统。
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华北水利水电大学路亚斌,201009532 4.2 simulink闭环单位阶跃响应
4.2.1 闭环模块及其参数设置
Continuous模块库:一个Integrater模块,实现积分运算,参数使用系统默认,Continuous模块库:一个Derivative模块,实现微分运算,参数使用系统默认,Math Operations
模块库:一个Subtract模块,求得误差,一个Add模块,进行求和运算,Add 参数由题要求设置为3个输入,如图4-2-1所示,Math模块库:3个Gain模块实现比例、微分和积分的增益,将其分别命名为、、,参数暂时均设置为1,为初始值,以后将按性能要求对KIKPKD
其整定,从而获得符合性能要求的参数值。连线建立模型如图4-2-2所示。
图4-2-1 Add模块参数设置
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图4-2-2 PID控制系统模型图
4.2.2 PID参数整定
同开环系统时一样设置仿真参数,并设置KP、KI、KD的参数,单击Start运行,观察
tp,1s,%,40%Scope图像直至,时即完成PID参数整定,如图4-2-3、4-2-4所示。
tp,1s,%,40%图4-2-3 ,时的PID参数:KP=160,KI=10,KD=15