自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的控制系統(tǒng)

1、各專業(yè)全套優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)圖紙自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)姓名： xxxxx 班級(jí)： xxxxxx 學(xué)號(hào)： xxxxxxxxxx 指導(dǎo)老師： xxxxxxxx 目 錄一、設(shè)計(jì)的目的和意義1二、設(shè)計(jì)題目和設(shè)計(jì)要求1三、建立數(shù)學(xué)模型1四、pid控制及其matlab實(shí)現(xiàn)4.1、pid控制原理24.2、pid的時(shí)域分析34.3、pid的頻域分析64.4、加入干擾后的系統(tǒng)7五、復(fù)合控制及其matlab實(shí)現(xiàn)5.1、復(fù)合控制的原理85.2、復(fù)合控制的時(shí)域分析95.3、復(fù)合控制的頻域分析105.4、加入干擾后的系統(tǒng)11六、兩種控制方法的比較12七、設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會(huì)19八、參考文獻(xiàn)20 一、設(shè)計(jì)目的及意義 1、理論聯(lián)系實(shí)際，

2、加強(qiáng)對(duì)自動(dòng)控制理論的理解。增強(qiáng)分析問題、解決問題的能 力。 2、熟悉matlab軟件，掌握它在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中的應(yīng)用，能熟練進(jìn)行系統(tǒng)建模、分析、設(shè)計(jì)、仿真等操作。 3、培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，增進(jìn)對(duì)科學(xué)技術(shù)的興趣。 4、培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。二、設(shè)計(jì)題目和設(shè)計(jì)要求本次課程設(shè)計(jì)的題目是直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的控制系統(tǒng)，目前，直流電動(dòng)機(jī)廣泛的應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)角落，隨處可見。總之直流電動(dòng)機(jī)目前工業(yè)生產(chǎn)以及生活中起著很重要的作用，因此設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的控制系統(tǒng)有著極其重要的應(yīng)用價(jià)值。該次設(shè)計(jì)的要求是運(yùn)用兩種控制算法來進(jìn)行設(shè)計(jì)并比較，同時(shí)要使用matlab和simulink進(jìn)行建模，仿真和設(shè)計(jì)計(jì)算

3、，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域和頻域的最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)域和頻域的分析，并比較兩種校正方法，最后探討設(shè)計(jì)是否合格達(dá)到要求。某一直流電動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如下：u=230v,i=10.4a,n=3.77rad/s,p=2.0kw.d=0.0027j.s23、 建立數(shù)學(xué)模型及傳遞函數(shù)temtoj電樞等效電路直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的電磁力轉(zhuǎn)矩tem： 為電樞電流；kt為電機(jī)參數(shù)，稱為轉(zhuǎn)矩系數(shù)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電樞導(dǎo)線切割磁力線，電樞繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ea: ea=ke*ke為反電勢(shì)系數(shù)；為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)；且有ke=kt電機(jī)轉(zhuǎn)子受到的轉(zhuǎn)矩如圖所示：to是電機(jī)本身的阻轉(zhuǎn)矩，為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩。設(shè)電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為j。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)定律

4、有：根據(jù)電樞等效電路和基爾霍夫定律有： 對(duì)取拉式變化并整理后得： 稱為總阻轉(zhuǎn)矩，又稱干擾力矩。令tc(s)=0,得直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)于輸入電壓的傳遞函數(shù)為： tm:電動(dòng)機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù) te:電動(dòng)機(jī)的電磁時(shí)間常數(shù) g(s)=(s)/ua(s)相關(guān)參數(shù)計(jì)算：m=5.3n*m tm=0.13s te=0.0129s kt=0.51n*m/a 根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得： g(s)=1.786/(0.0022*s*s+0.17*s+1)四、pid調(diào)節(jié)及其matlab實(shí)現(xiàn)1、pid控制原理： pid控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、控制精度高且具有較強(qiáng)的魯棒性等特點(diǎn)。加入比列環(huán)節(jié)可以使系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，速度

5、加快，可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，加入積分環(huán)節(jié)可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，減小超調(diào)量，提高控制精度，加入微分環(huán)節(jié)可以減小調(diào)整時(shí)間，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。pid控制器的微分方程為對(duì)上面的式子去拉氏變換整理后有pid控制器的傳遞函數(shù)為：對(duì)應(yīng)的pid控制器的傳遞函數(shù)： 2、衰減曲線法： 衰減曲線法是以4：1衰減作為整定要求的，先切除調(diào)節(jié)器的積分和微分作用 ，用湊試法整定純比例控制作用的比例帶pb，使之符合4：1衰減比例的要求，記下此時(shí)的比例帶s和振蕩周期ts。如果加進(jìn)積分和微分作用，可按表給出經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。若按這種方式整定的參數(shù)作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。經(jīng)上述步驟后得s=16，ts=0.028。則kp=12.8，ti=0.084

6、，td=0.00283、pid校正的時(shí)域分析：校正前的單位階躍響應(yīng)：經(jīng)pid校正后的單位階躍響應(yīng)如圖所示：matlab程序如下：沒校正前單位階躍響應(yīng)程序及圖形： num=1.78;den=0.0022 0.17 1;g=tf(num,den);g=feedback(g,1); step(g)校正后程序及圖形如下：kp=12.8;ti=0.084;td=0.0028;num1=kp*td*ti ti 1;den1=ti;g1=tf(num1,den1);num=1.78;den=0.0022 0.17 1;g=tf(num,den);g=feedback(g*g1,1); step(g)無論是通

7、過程序還是simulink建立的模型，該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)通過pid校正后，上升時(shí)間、峰值時(shí)間都減少了，系統(tǒng)比原先的系統(tǒng)先達(dá)到穩(wěn)定，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的超調(diào)量也增加了，穩(wěn)態(tài)誤差明顯減小。從整體來看杜原來的系統(tǒng)性能有所改良。4、 pid的頻域校正分析：沒校正之前的頻域程序及bode圖，nyquist圖： num=1.78;den=0.0022 0.17 1;g=tf(num,den);g=feedback(g,1);bode(g)nyquist（g）校正后的頻域程序及bode圖，nyquist圖：kp=12.8;ti=0.084;td=0.0028;num1=kp*td*ti ti 1;den

8、1=ti;g1=tf(num1,den1);num=1.78;den=0.0022 0.17 1;g=tf(num,den);g=feedback(g*g1,1);bode(g)nyquist（g）從兩個(gè)bode圖中可以看出系統(tǒng)的幅頻特性都接近于零且在零分貝線以下減小了，增加pid后幅值裕度增加有所增加，相頻特性也發(fā)生看變化，尤其是在為1e3以后，幅頻特性下降有所減緩。從兩nyquist圖看出，兩個(gè)系統(tǒng)都是穩(wěn)定系統(tǒng)。5、 系統(tǒng)加了干擾的單位階躍響應(yīng)：增加干擾信號(hào)以后，超調(diào)量有所增加，而且過度過程時(shí)間也增加了，使系統(tǒng)沒有無干擾的穩(wěn)定。55、 復(fù)合控制1、 復(fù)合控制的原理： 在自動(dòng)控制中，如果在系

9、統(tǒng)的反饋控制回路中加入前饋通路，組成一個(gè)前饋控制和反饋控制相組合的系統(tǒng)，只要系統(tǒng)參數(shù)選擇得當(dāng)，不但可以保持系統(tǒng)穩(wěn)定，極大地減小乃至消除穩(wěn)態(tài)誤差，而且可以抑制幾乎所有的可量測(cè)擾動(dòng)，其中包括低頻強(qiáng)擾動(dòng)。這樣的系統(tǒng)就稱為復(fù)合控制系統(tǒng)，相應(yīng)的控制方式稱為復(fù)合控制。簡(jiǎn)單來說復(fù)合控制就是反饋控制與前饋控制相結(jié)合的控制方法。 復(fù)合控制是開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合的一種控制方式。它是在閉環(huán)控制回路的基礎(chǔ)上，附上一個(gè)輸入信號(hào)或擾動(dòng)信號(hào)的順饋通路，用來提高系統(tǒng)的控制精度。 復(fù)合控制的主要特點(diǎn)：1.具有很高的控制精度；2.可以抑制幾乎所有的可量測(cè)擾動(dòng)，其中包括低頻強(qiáng)擾動(dòng)；3.補(bǔ)償器的參數(shù)要有較高的穩(wěn)定性。2、 按輸入

10、補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制的時(shí)域分析：前饋信號(hào)加到系統(tǒng)的輸入端，單位階躍響應(yīng)如圖所示：1=1/k2=a1/k加入前饋控制后系統(tǒng)的震蕩嚴(yán)重，且震蕩幅值很大3、 按輸入補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制的頻域分析： num=178;den=0.0022 0.17 1;g=tf(num,den); g1=tf(0.0955 0.5618 0,1); g=g*(1+g1)/(1+g);bode(g)nyquist(g)校正后的bode圖和nyquist圖如圖所示，bode圖的幅頻圖呈上升趨勢(shì)；nyquist圖沒有包圍（-1,0）這個(gè)點(diǎn)。4、按擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制 kp=12.8;ti=0.084;td=0.0028;num=(-1*t

11、i);den=kp*td*ti ti 1;g=tf(num,den)transfer function: -0.084-0.003011 s2 + 1.075 s + 12.8按擾動(dòng)信號(hào)補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制沒有太大震蕩，只是過度過程時(shí)間過長(zhǎng)，存在明顯的穩(wěn)態(tài)誤差gf=(-1)/g1;g1為pid傳遞函數(shù)6、 兩種控制方法的比較 pid算法控制多年來受到廣泛的應(yīng)用，pid在解決快速性、穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量等問題上具有很好的應(yīng)用；pid調(diào)節(jié)時(shí)間，動(dòng)態(tài)性能都很好，但是pid也有需要改進(jìn)的地方。及分享的改進(jìn)在pid控制中，積分作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，但是很多時(shí)候積分作用又會(huì)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能造成影響，是系

12、統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)量和時(shí)間震蕩。現(xiàn)在也對(duì)pid控制器進(jìn)行各種改進(jìn)，比如說：數(shù)字pid、離散化方法。 反饋控制只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。但會(huì)產(chǎn)生時(shí)滯、波動(dòng)等情況。 擾動(dòng)補(bǔ)償比反饋控制及時(shí)、有效，如果引起輸入量較大波動(dòng)的主要外擾動(dòng)參量是可量測(cè)和可控制的，則在反饋控制的同時(shí)，利用外擾信號(hào)直接控制輸出，構(gòu)成復(fù)合控制能迅速有效地補(bǔ)償外擾對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度。但不同設(shè)備對(duì)象不同，就具有不同的特性，并且只對(duì)前饋量有作用。 改進(jìn)方法：該系統(tǒng)是二階系統(tǒng)，可以考慮用最佳二階阻尼比法，還可以用雙閉環(huán)控制，一

13、個(gè)環(huán)做電流反饋，另一個(gè)環(huán)做轉(zhuǎn)速反饋，是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的更加穩(wěn)定。7、 設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會(huì) 1、設(shè)計(jì)總結(jié)： （1）本文僅進(jìn)行了系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和仿真研究，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和動(dòng)態(tài)特性還需要通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證。 （2）對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制方面，本課題還是局限于經(jīng)典控制理論，可以考慮在本系統(tǒng)加入現(xiàn)代控制方法，并接入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況在實(shí)踐中逐漸完善和修正控制器參數(shù)，得到更合理的直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。 （3）在得到直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的仿真結(jié)果后，分析得到直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)曲線有較大超調(diào)量，所以將pid控制方法應(yīng)用到直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，在仿真過程中確定了一組較理想的比例、積分、微分參數(shù)，并對(duì)加入pid控制器的前后仿真曲線進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示，加入pid控制器后，直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的更加平穩(wěn)。 （4）傳遞函數(shù)是一個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，不管是時(shí)域分析還是頻域分析都圍繞傳遞函數(shù)來討論。 2、心得體會(huì)： 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。通過這一個(gè)多月的設(shè)計(jì)，不僅鍛煉了我把理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中來得能力，更讓我明白了理論與實(shí)踐之間的差別，一些問題，原理上十分簡(jiǎn)單明了，但將它具體運(yùn)用于實(shí)踐中時(shí)，卻出現(xiàn)許