典型二階控制系統(tǒng)的分析與綜合設(shè)計(jì)

北方民族大學(xué)控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)任務(wù)書第一部分總則課程名稱：控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)綜合實(shí)訓(xùn)課程代碼：z3507507年級(jí)專業(yè)：2019級(jí)自動(dòng)化學(xué)時(shí)學(xué)分：16學(xué)時(shí)，1學(xué)分成績占比：報(bào)告50%+答辯50%指導(dǎo)教師：劉芳、潘俊濤、張巍巍馮翼一綜合實(shí)訓(xùn)的目的1、培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力；2、提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力；3、培養(yǎng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)能力；4、培養(yǎng)學(xué)生對(duì)經(jīng)典控制理論的系統(tǒng)性認(rèn)知能力以及靈活運(yùn)用相關(guān)理論解決實(shí)際工程問題的能力。第三部分設(shè)計(jì)任務(wù)及要求題目1Ｉ型三階系統(tǒng)的分析與綜合設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的1、通過綜合實(shí)訓(xùn)熟悉頻域法分析系統(tǒng)的方法原理；2、通過綜合實(shí)訓(xùn)掌握滯后—超前校正作用與原理三、具體要求1、要求分別用手工設(shè)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)編程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)校正裝置，可以是多個(gè)；根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真驗(yàn)證；利用線性組件（運(yùn)算放大器、電阻、電容等）構(gòu)成各種環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)校正前、后系統(tǒng)，并得到校正前后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。由上述結(jié)果，你可以得出怎樣的結(jié)論。二、設(shè)計(jì)任務(wù)題目7基于ZN法的PID校正分析與綜合設(shè)計(jì)已知軋鋼車間加熱爐的傳遞函數(shù)為，其溫度傳感器與變送器的傳遞函數(shù)為

，試用Ziegler-Nichols整定法計(jì)算P、PI、PID控制器的參數(shù)，并進(jìn)行階躍響應(yīng)的仿真。綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告中要求寫清楚計(jì)算分析的過程，列出MATLAB程序和MATLAB輸出。由上述結(jié)果，你可以得出怎樣的結(jié)論。

引言1校正前系統(tǒng)性能分析22.1穩(wěn)態(tài)性能22.2動(dòng)態(tài)性能8校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)93.1控制系統(tǒng)類型分類93.2系統(tǒng)建模113.3頻域法進(jìn)行校正13校正后系統(tǒng)性能分析144.1運(yùn)用matlab進(jìn)行時(shí)域仿真144.3時(shí)域性能結(jié)果15設(shè)計(jì)總結(jié)及心得體會(huì)18五、參考文獻(xiàn)19

摘要Ziegler-Nichols

整定方法

Ziegler一Nichols

法是一種基于頻域設(shè)計(jì)

PID控制器的方法。

基于頻域的參數(shù)整定是需要參考模型的，首先需要辨識(shí)出一個(gè)能較好反映被控對(duì)象頻域特性的二階模型。根據(jù)這樣的模型，結(jié)合給定的性能指標(biāo)可推導(dǎo)出公式，而后用于PID參數(shù)的整定。

基于頻域的設(shè)計(jì)方法在一定樣度上回避了精確的系統(tǒng)建模，而且有較為明確的物理意義，比常規(guī)的PID控制可適應(yīng)的場(chǎng)合更多。

目前已經(jīng)有一些基于頻域設(shè)計(jì)PID控制器的方法，如Ziegler一Nichols法，Cohen一Coon法等。Ziegler一Nichols法是最常用的整定PID參數(shù)的方法。

Ziegler-Nichols

法是根據(jù)給定對(duì)象的瞬態(tài)響應(yīng)特性來確定

PID控制器的參數(shù)。2.設(shè)計(jì)意義（1）培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力；（2）提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力；（3）培養(yǎng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)能力；（4）培養(yǎng)學(xué)生對(duì)經(jīng)典控制理論的系統(tǒng)性認(rèn)知能力以及靈活運(yùn)用相關(guān)理論解決實(shí)際工程問題的能力。（5）通過課程設(shè)計(jì)熟悉溫度控制系統(tǒng)的工作原理；（6）通過課程設(shè)計(jì)掌握溫度控制系統(tǒng)的分析方法；（7）通過課程設(shè)計(jì)掌握控制器的設(shè)計(jì)方法；（8）通過在實(shí)際控制系統(tǒng)中校正設(shè)計(jì)的運(yùn)用，理解系統(tǒng)校正在實(shí)際工程中的意義。

3.校正前的系統(tǒng)分析系統(tǒng)輸出圖像曲線4.校正后系統(tǒng)性能分析4.1系統(tǒng)階躍相應(yīng)曲線圖4．2利用方法二將比例控制Kp值由零增大到系統(tǒng)的輸出首次出現(xiàn)持續(xù)的等幅震蕩，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Kp值為臨界增益Kc,振蕩周期Tc，此時(shí)Ti=∝，Td=04.3校正裝置選定利用ZN法經(jīng)驗(yàn)公式二計(jì)算5.1校正后系統(tǒng)傳遞函數(shù)試第一次調(diào)節(jié)出等幅震蕩，圖像如下再次嘗試調(diào)節(jié)出等幅震蕩利用ZN法二計(jì)算出PI調(diào)節(jié)器為P=1.39I=0.0084圖像如下利用ZN法計(jì)算出，PID調(diào)節(jié)器為P=1.625I=0.011D=36.756.MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果6.1MATLAB函數(shù)ziegler()function[Gc,Kp,Ti,Td,H]=ziegler(key,vars)Ti=[];Td=[];H=[];iflength(vars)==4K=vars(1);L=vars(2);T=vars(3);N=vars(4);a=K*L/T;ifkey==1Kp=1/a;elseifkey==2Kp=0.9/a;Ti=3.33*L;elseifkey==3Kp=1.2/a;Ti=2*L;Td=L/2;endelseiflength(vars)==5K=vars(1);Tc=vars(2);N=vars(3);ifkey==1Kp=0.5*K;elseifkey==2Kp=0.4*K;Ti=0.8*Tc;elseifkey==3Kp=0.6*K;Ti=0.5*Tc;Td=0.12*Tc;endelseiflength(vars)==5K=vars(1);Tc=vars(2);rb=vars(3);pb=pi*vars(4)/180;N=vars(5);Kp=K*rb*cos(pb);ifkey==2Ti=-Tc/(2*pi*tan(pb));elseifkey==3Ti=Tc*(1+sin(pb))/(pi*cos(pb));Td=Ti/4;endendswitchkeycase1Gc=Kp;case2Gc=tf(Kp*[Ti,1],[Ti,0]);case3nn=[Kp*Ti*Td*(N+1)/N,Kp*(Ti+Td/N),Kp];dd=Ti*[Td/N,1,0];Gc=tf(nn,dd);end6.2MATLAB程序及曲線圖k=1.0593;T=110;L=100;n1=[k];d1=[T1];G1=tf(n1,d1);[np,dp]=pade(L,2);Gp=tf(np,dp);[Gc1,Kp1]=ziegler(1,[k,L,T,1]);Gc1[Gc2,Kp2,Ti2]=ziegler(2,[k,L,T,1]);Gc2[Gc3,Kp3,Ti3,Td3]=ziegler(3,[k,L,T,1]);Gc3G_c1=feedback(G1*Gc1,Gp);step(G_c1);holdonG_c2=feedback(G1*Gc2,Gp);step(G_c2);G_c3=feedback(G1*Gc3,Gp);step(G_c3);Gc1=1.3333359.6s+1.2Gc2=299.7s25920s^2+360s+1.6Gc3=8100s^2+180s分析：由于該控制系統(tǒng)是比例積分微分控制參數(shù)決定工作狀態(tài)，

從整個(gè)仿真試驗(yàn)過程可以看出，在系統(tǒng)中加入了PID控制器，可以明顯的改善系統(tǒng)性能特性，提高產(chǎn)品的控制品質(zhì)。雖然也會(huì)有震蕩現(xiàn)象，但是震蕩時(shí)間短，系統(tǒng)可以更快速進(jìn)入穩(wěn)定。心得體會(huì)通過這次的自動(dòng)控制理論課程設(shè)計(jì)，我們更多的是認(rèn)識(shí)到自己的不足之處比較多。例如這款A(yù)PP，我們是第一次接觸，進(jìn)行模擬仿真的時(shí)候，我們都得從這個(gè)軟件的基礎(chǔ)開始學(xué)習(xí)。程序代碼也得從最基礎(chǔ)的開始學(xué)習(xí)。很多基礎(chǔ)的問題都得請(qǐng)教劉老師，我們甚至迷茫到連課程設(shè)計(jì)要我們做什么都不知道，該怎樣做更是滿臉迷惑。最后從指導(dǎo)老師那里我們才知道我們應(yīng)該從哪里入手，理清了大概思路，我們才知道自己應(yīng)該做哪些步驟，這樣做。我們?cè)诰帉懗绦虻臄澈缶陀龅搅艘粋€(gè)大麻煩。我們所參考的書本資料和網(wǎng)上的資料分析的例題都是一節(jié)微分環(huán)節(jié)加一個(gè)之后環(huán)節(jié)，而我們遇到的是兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)加一個(gè)滯后環(huán)節(jié)。導(dǎo)致在求時(shí)間τ上面費(fèi)了很大勁。通過這次的課程設(shè)計(jì)我們意識(shí)到依據(jù)我們自身的知識(shí)和能力，想要完成一個(gè)設(shè)計(jì)是多么的艱難。需要私下掌握的東西太多了，學(xué)習(xí)的東西更多。只有將理論更好的運(yùn)用到實(shí)際生活中，我們才能真正的認(rèn)識(shí)到自己的能力，才能真正了解我們是否真正的掌握了知識(shí)，我更相信實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在以后的學(xué)習(xí)中，我們也將更加的完備自身的不足，提升自己的能力。二、課程設(shè)計(jì)結(jié)論

基于MATLAB的SIMULINK仿真環(huán)境下的PID參數(shù)整定法，在

simulink仿真環(huán)境下進(jìn)行PID仿真試驗(yàn)，可以隨時(shí)修改PID的參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行同步仿真，減少了在現(xiàn)實(shí)中的試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)省了財(cái)力和人力的投入，并且極大地縮短了試驗(yàn)周期，對(duì)提高產(chǎn)品的過程質(zhì)量具有相當(dāng)實(shí)際的意義。

課程設(shè)計(jì)過程中的收獲：更加了解了仿真的重要性與實(shí)用性。也

更加深入了解了控制理論的重要性，讓我們更好了解PID控制器的3個(gè)參數(shù)的