《机电系统动态仿真》实验指导书2013版_3_4.doc

实验 PID控制器的设计 1、熟悉PIPD和PID三种控制器的设计。2、通过实验，深入了解PIPD和PID三种控制器的阶跃响应特性及相关参数对它们性能的影响。 PI、PD和PID三种控制器是工业控制系统中广泛应用的有源校正装置.其中PD为超前校正装置它适用于稳态性能已满足要求,而动态性能较差的场合，提高系统的快速性。PI为滞后校正装置，它能改变系统的稳态性能，消除或者减弱控制系统的稳态误差。PID时一种滞后一超前校正装置它兼有PI和PD两者的优点。，幅值穿越频率，相位裕量。已知，，，，，。 2、试验方法与步骤： ①. 根据梅森公式可得，控制系统的传递函数为 = 可见，为校正系统为Ⅰ型系统，故。按设计要求选=40。 取，，，则未校正系统的开环传递函数为： 通过仿真实验，作未校正系统的伯德图，可得幅值穿越频率，相位裕量。 ②. 确定PD控制器，由于原系统的幅值穿越频率、相位裕量均小于设计要求，为提高系统的动态性能，选用串联PD控制器。 为了使原系统结构简单，对未校正部分的高频段小惯性环节作等效处理，则未校正系统的开环传递函数可近似表示为 由于PD控制器的传递函数为 为了使校正后的系统开环伯德图为希望的二阶最优模型，可消除未校正系统的一个极点，即 令，则 由于该校正后的控制系统为Ⅰ型系统，则整个控制系统的开环放大系数，根据性能要求，故选。 ③. 编写Matlab程序，进行仿真实验。五、实验程序： 1、校正前的系统仿真程序： num=40; den=conv(conv(conv ([1 0], [0.15 1]), [0.877*0.001 1]), [5.877*0.001 1 ]); bode(num, den); grid on title(Developed by GE Dong-yuan) 仿真结果如下： 如图所示，可得幅值穿越频率，相位裕量。原系统的幅值穿越频率、相位裕量均小于设计要求，为提高系统的动态性能，选用串联PD控制器。 校正后的系统仿真程序： num=56; den=[5.877*0.001 1 0]; bode(num, den); grid on title(Developed by Dong-yuan GE ) 仿真结果如下： 由仿真图可知，校正后的控制系统穿越频率，相位裕量°。 六、思考题 PI控制器相当于滞后校正还是超前校正？ PID控制器中，积分环节对系统的作用是什么？微分环节主要作用改善系统的什么性能？  实验四 基于Matlab/Simulink的机电一体化系统的仿真实验 一、实验目的： ① 通过上机实验操作，使学生掌握Simulink的基本模块、模型文件的创建和仿真过程。 ② 对给定的机电一体化系统方案，以及相应的数学模型，在MATLAB/Simulink环境下进行仿真实验，得出系统的动态特性和稳态特性。 ③ 根据系统要求对PID控制器参数进行整定，使系统具有合理的稳态响应和动态响应特性。 二、实验原理与说明 伺服控制系统中，当输入信号与输出反馈信号出现偏差时，该偏差信号经过所设计的PI控制器校正后，由功率放大后驱动伺服系统，最终消除偏差，到达控制的各项预定性能指标。 三、实验设备与仪器： PC电脑，Matlab7.0仿真软件 四、实验内容、方法与步骤： 1、实验内容 某机电伺服控制系统如图所示，其中为控制器，各具体环节的参数为：功率放大器增益10；伺服电机传递系数2.83；测速发电机传递系数1.15；伺服电机机电时间常数；位置反馈电位计增益 4.7 ；伺服电机电磁时间常数，速度反馈分压系数； 若没有PI控制器，则系统的开环、闭环传递函数分别为 根据控制要求，所设计的PI控制器为：，加入PI控制器之后，系统的开环、闭环传递函数分别为： 2、试验方法与步骤 ① 在Matlab的命令窗口中输入语句Simulink，即可启动Simulink。 ② 进行Simulink的文件操作，包括新建文件、打开文件和保存文件。 ③ 创建模型文件，包括模块操作、信号线的操作以及模块的参数设置等 ④ 对所涉及的系统进行封装或者直接运行、仿真。 五、实验程序： 校正前的系统仿真程序： 校正后的系统仿真程序： 无控制器的仿真程序运行结果： 采用PI控制器校正后的运行结果： 六、思考题： 1. 在该仿真实验中，校正前的系统是否稳定？ 2. 当设计一个PI控制器加入系统后，是否使得系统由Ⅰ型系统变为Ⅱ型系统，起作用是什么？ 3. 如何编写Simulink中的系统函数，即S函数？ — + — + — +