课程设计报告

题 目 PID

在仿真系统中的应用

课 程 名 称 控制系统仿真 院 部 名 称 机电工程 专 业 自动化 班 级 08自动化(1) 学 生 姓 名 董学勤 学 号 0804110626 课程设计地点 C306 课程设计学时 1周 指 导 教 师 应明峰

金陵科技学院教务处制

一． 课程设计应达到的目的

本课程是为自动化专业本科生开设的专业课程设计课。通过本课程的课程设计实践，培养学生掌握用计算机仿真控制系统的基本方法，使学生能够熟练应用仿真技术分析控制系统，为今后从事自动控制系统的分析、设计打下基础。

二． 课程设计题目及要求

本课程设计的基本任务是：系统的熟悉控制系统仿真的基本原理、方法，仿真软件的使用方法，具体解决仿真技术在控制系统中的应用问题。

本课程要求较熟练掌握控制系统仿真算法的基本思想。要求熟练掌握 MATLAB 的基本编程手段和模块化编程方法，消化和理解控制语言描述的图形界面的设计过程，掌握Simulink 仿真技术在控制系统中的应用。

三． 设计题目

1． 单回路控制系统的设计及仿真。 （1） 已知被控对象传函W(s) = 1 / (s 2

+20s + 1)。 （2） 画出单回路控制系统的方框图。

（3） 用MatLab 的Simulink 画出该系统。

无积分作用单回路控制系统

大比例作用单回路控制系统

（4）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。PID调节器公式Wc（s）=（5s2+50s+3)/s ，给定值为单位阶跃响应幅值为3 。

（5）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。

上图分别为无积分作用和大比例积分（积分常数为3）作用下的系数响应曲线，可见这两个PID 参数均不如前面的理想。加入积分环节，主要用于消除静差，积分时间越大，积分作用越弱；积分时间越短，积分作用越强。微分环节是通过偏差的变化趋势预测偏差信号的变化，并在偏差变大之前产生抑制偏差变大的控制信号，从而加快控制的响应速度。

2． 串级控制系统的设计及仿真。

（1） 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/(s 2

+20s + 1)。

（2）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。

（3） 用MatLab 的Simulink 画出上述两系统。

串级控制系统

单回路控制系统

（4）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调节器传递函数：主：Wc（s）=(200*s+680)/ s 副：Wc(s)=450*s+200

相应的单位阶跃响应如下：

串级控制系统单位阶跃响应 单回路控制系统单位阶跃响应

（5）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跃响应曲线，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。原因：串级控制系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，具有较强的抗干扰能力，具有一定的自适应能力，能够准确及时地对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。

（1） 已知被控对象传递函数W 0

(s) = 1 / (s 2

+s + 1)，干扰通道传递函数W f

(s) = 1 / (s 2

+2s + 5)，

前馈随机干扰信号幅值 = 50， 频率 = 10。

（2） 确定前馈控制器的传递函数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。

（3）用MatLab的Simulink画出上述两系统。

（4）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调节器传递函数：Wc(s)=100*s+300

设干扰源幅值为50，频率为10 H z，单位阶跃响应幅值为20。

前馈反馈控制系统单位阶跃响应

前馈反馈单回路控制系统单位阶跃响应

（5）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跃扰动下的响应曲线，并说明原因？（需要回答）

单回路阶跃响应单回路阶跃响应细部

前馈反馈单位阶跃响应前馈反馈单位阶跃响应细部

上图是在干扰源频率为10Hz的响应曲线，单回路与前馈反馈系统的响应差别不是很大，

这是由于干扰通道形成了滤波器效应造成的。

由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，使其在工程上更易于实现。

在前馈反馈复合控制系统中，实现了将扰动完全补偿，即使扰动的响应为零，可得到：

)5*22^/()12^((s)(s)/W -W (s)W 0f m ++++-==s s s s

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。

(1) 已知被控对象传函

W 0

(s) = e

- 4 s

/ (20s + 1)。

(2) 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。

(3) 用MatLab 的Simulink 画出上述两系统。

带smith补偿器控制系统

单回路控制系统

(4)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)=50+S/2

带smith补偿器的控制系统单位阶跃响应单回路控制系统单位阶跃输出

(5) 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？

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。

Ws(s)=Wo(s)(1-e-τ

0s)=(1-e-

τ

0s)/(20s+1)

引入smith预估补偿器使调节器锁控制的等效对象变为：

Wo(s)e-τ

0s+Wo(s)(1-e-

τ

0s)=(1-e-

τ

0s)/(20s+1)+e-

τ

0s/(20s+1)=1/(20s+1)=Wo(s)

从而消去纯滞后部分对系统稳定的不利影响。

四．设计心得

一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不可少的过程。“千里之行，始于足下”，通过这次课程设计，我深刻体会到这句千古名言的真正含义，我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

在这次控制系统仿真设计过程中，体现出自己单独设计模块的能力和综合运用知识的能力，尤其是对PID调节的综合应用，这是在以后的工作中经常应用的一种方法。同时，体会到学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，也从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，并加以弥补。下载本文