“直流伺服電機系統(tǒng)的PID校正”實驗指導(dǎo)書

開放型實驗“直流伺服電機系統(tǒng)的PID校正”實驗指導(dǎo)書一、實驗?zāi)康恼莆誔ID控制及其校正在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用；熟悉直流伺服電機系統(tǒng)的PID校正理論；設(shè)計并驗證PID校正環(huán)節(jié)。二、 實驗要求根據(jù)給定的性能給定的性能指標，采用試湊法設(shè)計PID校正環(huán)節(jié)，校正未校正系統(tǒng)，并驗證。設(shè)未校正系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為GoC)=(0.0525+hrs+1)'設(shè)計PID校正環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的性能指標達到：調(diào)整時間小于2s,超調(diào)量不大于10%，穩(wěn)態(tài)誤差不大于1%。三、 實驗設(shè)備GSMT2014型直流伺服系統(tǒng)控制平臺；PC、MATLAB平臺；四、 直流伺服系統(tǒng)控制平臺簡介實際GSMT2014型直流伺服系統(tǒng)控制平臺如圖1.1所示。該平臺所使用的直流電機的額定電壓為26V，額定功率為70W，最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，電機的編碼器為1000p/r。圖1.1GSMT2014型直流伺服系統(tǒng)控制平臺GSTM2014實驗平臺是基于雙電機高性能運動控制器GT400和智能伺服驅(qū)動器的直流伺服電機控制系統(tǒng)，由于GSMT2014平臺增加了高性能的GT2014運動控制器，可以在MATLAB/simulink軟件下完成實時控制實驗掌握通過實驗數(shù)據(jù)來建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的實驗方法，以及現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)反饋法。五、實驗原理1．PID簡介在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，常用的基本調(diào)節(jié)規(guī)律有：P,PI,PD和PID控制。加入PID控制后，控制系統(tǒng)如圖1.2所示。圖1.2加入PID控制器的系統(tǒng)框圖P控制器控制器的輸出uQ與誤差作用信號心的關(guān)系為u宀計拉普拉斯變換量的形式為式中，K為比例增益。在相同的偏差下，K越大，輸出也越大，因此ppK是衡量比例作用強弱的參數(shù)。工業(yè)上用比例度5來表示比例作用的強弱。比p例度5與K的關(guān)系為p5=丄100% (1-2)Kp無論是哪一種實際機構(gòu)，也無論是哪一種形式的操作功率，比例控制器實質(zhì)上是一種增益可調(diào)的放大器，比例度5越大，比例控制作用就越弱。。PD控制器微分控制器的輸出只與偏差的變化速度有關(guān)，而與偏差存在與否無關(guān)。因此，純粹的微分控制作用是無意義的，一般都將微分控制作用與比例控制結(jié)合起來使用。PD控制器的控制作用可以由下列方程定義：u(t)二Ke(t)+KTde(t) (1—3)p pddt其傳遞函數(shù)為U(s)=K(1+Ts) G-4)E(s) pd式中T為微分時間常數(shù)，速率控制作用超前于比例控制作用效果的時間間d隔。微分控制作用也稱為速率控制。微分具有預(yù)測的優(yōu)點，但是它也具有缺點，因為它放大了噪聲信號，并且還可能在執(zhí)行器中造成飽和效應(yīng)。PI控制器積分調(diào)節(jié)作用：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。因為有誤差，積分調(diào)節(jié)就進行，直至無差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)T。T越小，積分作用就越強。積分控制作用總是滯后于偏差的ii存在，因此它不能有效地克服擾動的影響，難以使得控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來，引入積分作用會使系統(tǒng)容易振蕩。因此積分控制作用很少單獨使用，與比例控制一起使用，組成PI控制器，其控制規(guī)律為u(t)二Ke(t)+pJe(t)dt (1—5)pTi0G(s)= =K(1+丄) (1—6)c E(s) pTsiPID控制器比例控制作用、積分控制作用和微分控制作用的組合叫做比例-加-積分-加-微分控制作用，這種組合具有三種控制作用的優(yōu)點，具有這種組合作用的控制器方程為u(t)二Ke(t)+ Je(t)dt+KTde(t) (1—7)pT pddti0即其傳遞函數(shù)為=K(1+丄+Ts) G—8)E(s) pTsdiPID參數(shù)的整定方法PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中相當(dāng)重要的一個問題。在調(diào)節(jié)方案已經(jīng)確定，儀表及調(diào)節(jié)閥等已經(jīng)選定并已裝好之后，調(diào)節(jié)對象的特性也就確定了，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)就主要決定于調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。因此，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的任務(wù)，就是對已選定的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，求得最好的調(diào)節(jié)質(zhì)量時調(diào)節(jié)器的參數(shù)值，即所謂求取調(diào)節(jié)器的最佳值，具體講就是確定最合適的比例度、積分時間和微分時間。經(jīng)驗試湊法在生產(chǎn)實踐中所總結(jié)出來的方法，目前應(yīng)用最為廣泛，其步驟簡述如下：1） 根據(jù)不同調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點，先把P、I、D各參數(shù)放在基本合適的數(shù)值上,這些數(shù)值是由大量實踐經(jīng)驗總結(jié)得來的（按4：1衰減），其范圍大致如表1-1所示。但也有特殊情況超出表列的范圍，例如有的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)積分時間長達15分鐘以上，有的流量系統(tǒng)的比例度可到200%左右等等。2） 看曲線，調(diào)參數(shù)，根據(jù)操作經(jīng)驗，看曲線的形狀，直接在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中逐步反復(fù)試湊，一直得到滿意數(shù)據(jù)。表1-1各調(diào)節(jié)系統(tǒng)PID參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)表調(diào)節(jié)系統(tǒng)比例度6（%）積分時間Ti（分）微分時間Td（分）說明流量40-1000.1-1對象時間常數(shù)小，并有雜散擾動，6應(yīng)大，Ti較短，不必用微分。壓力30-700.4-3對象滯后一般不大，6略小，Ti略大，不用微分。液位20-801-56小,Ti較大，要求不咼時可不用積分，不用微分。溫度20-603-100.5-3對象容量滯后較大。6小,Ti大，加微分作用。實踐證明，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)亟M合6和T的數(shù)值，可以得到同樣衰減比的i曲線，就是說，6的減少，可以用增加T的辦法來補償，而基本上不影響調(diào)節(jié)過i程的質(zhì)量。所以，這種情況，先確定T、T再確定6的順序也是可以的。而且可id能更快些。如果曲線仍然不理想，可用T、T再加以適當(dāng)調(diào)整。另外，將所在裝id置控制系統(tǒng)的PID參數(shù)記錄下來，是一個很好的做法。在不熟悉的生產(chǎn)過程中，應(yīng)先進行手動調(diào)節(jié)。進入自動調(diào)節(jié)時，應(yīng)確定比例度、積分時間、微分時間。當(dāng)調(diào)節(jié)輸出變化一點點而影響測量值有較大變化的這種場合，為考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)加大比例度，反之，則減小比例度。當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出變化時，在生產(chǎn)過程中希望測量值跟蹤時間較短，則應(yīng)該縮短積分時間，回復(fù)時間長的生產(chǎn)過程則應(yīng)該有較長的微分時間?？刂破骺刂埔?guī)律的選擇原則：1）對于一些對象控制通道滯后較小，負荷變化不大，工藝要求又不太高的控制系統(tǒng)，可選用比例控制器，如貯罐的液面以及不太重要的蒸汽壓力等控制系統(tǒng)。2）對象控制通道滯后較小，負荷變化不大，但不允許有余差的情況，可選用比例積分控制器，如流量、管道壓力等控制系統(tǒng)往往采用PI控制器。3）當(dāng)對象滯后較大，如溫度、PH值等控制系統(tǒng)則需引入微分作用。一般在對象滯后較大，負荷變化也較大，控制質(zhì)量又要求較高時，可選用比例（P）積分（I）微分（D）控制器。六、 實驗過程1?未校正系統(tǒng)的Simulink仿真在MATLAB的運行環(huán)境下，建立如圖1.3所示的開環(huán)實時控制系統(tǒng)模型。圖1.3系統(tǒng)的仿真模型階躍輸入的模塊“step"中設(shè)置Finalvalue=2000,記錄階躍響應(yīng)曲線的輸出，包括穩(wěn)定值、超調(diào)量等。2?加入PID校正環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的Simulink仿真1） 從SimulinkLibrary中拖入一個“Subsytem"模塊到圖1.3中的模型中。2） 打開Subsytem模塊，搭建PID子模塊，如圖1.4所示。圖1.4PID子模塊

3)PID子模塊，嵌入到圖1.3系統(tǒng)中，構(gòu)建仿真環(huán)節(jié)，如圖1.5所示。圖1.5PID校正環(huán)節(jié)后的仿真圖4)右鍵單擊PID模塊，選擇“EditMask”項，按照圖1.6所示設(shè)置封裝模塊屬性。圖1.6PID模塊參數(shù)設(shè)置

5）右鍵單擊PID模塊，選擇“BackgroundColor"位“Orange"，得到系統(tǒng)框圖如圖1.7所示。圖1.7系統(tǒng)控制框圖6）雙擊PID模塊，設(shè)置參數(shù)如圖1.8所示。圖1.8PID參數(shù)設(shè)置7）運行程序，根據(jù)輸出曲線確定系統(tǒng)性能是否滿足要求。加入PID校正環(huán)節(jié)后的系統(tǒng)實時控制1） 打開直流伺服系統(tǒng)控制平臺控制箱上的電源按鈕。2） 在“MATLAB-CurrentFolder"中打開“PID_CorSys_Ctrl.mdl"，彈出如圖1.9所示的實時控制界面。3） 設(shè)置PID參數(shù)，如圖1.8所示的參數(shù)值。4） 設(shè)置階躍信號的參數(shù)，以1000~2000為宜。5） 選擇“Simulation-ConfigurationParameters-Solver"，設(shè)置參數(shù)如圖圖1.9加入PID圖1.9加入PID校正的系統(tǒng)實時控制系統(tǒng)圖1.10Solver參數(shù)設(shè)置6）點擊“二”編譯程序，編譯成功后在MATLAB命令窗口中有提示信息如圖1.11所示（如果沒有修改控制界面結(jié)構(gòu)，在編譯一次后，不需再進行此步驟）。 ###Successful tionofEeal-TimeWorkshopbuildprocedureformodel'll?l圖1.11MATLAB命令窗口的提示信息7） 點擊"竄”，連接程序，可聽到電控箱中繼電器接通時發(fā)出一聲輕響。8）點擊“?”運行程序電機開始轉(zhuǎn)動，任其運行10秒鐘左右，然后點擊停止程序。

9）雙擊打開示波器，觀察加入2000rpm的階躍信號時直流伺服電機轉(zhuǎn)