机器人学 课程大作业 电机仿真.docx

《机器人学》课程任务书 一、任务 采用Matlab或其他软件，对三闭环控制的直流伺服进行仿真调试研究，理解PID调节的原理； 二、任务要求 要完整写出方案及调试过程分析报告 姓名：赵晓磊 学号：1120130376 班级专业：机械电子工程 2016年1月 北京理工大学 机电学院 一、模型分析 二、仿真调节 1. 电流环调节 （1）无反电动势，不加负载 P=0. I=0. D=0P=10. I=0. D=0P=10. I=10. D=0P=10. I=10. D=10P=10. I=20. D=0P=10. I=50. D=0 结论： 在没有负载和反电动势的情况下，电路为简单的电感电阻串联模型，经过简单调试，电流跟随效果较好。 （2）加入反电动势，但仍然不加入负载 P=10. I=50. D=0 电流速度和角度 结论： 加入反电动势后，电流跃升后降低至某一微小值，无法跟随上单位阶跃响应；同时，电机拥有较高转速，进而产生很大的反电动势，削减电路的电压净输入。 因此，空载情况下，即使电机转速极高，也无法产生很大电流 （2）加入反电动势，并同时加入负载Tl P=10. I=50. D=0 电流，速度，角度响应图 Tl = 1e-3 Tl = 1e-2Tl = 2e-2Tl = 3e-2 结论： 可以观察到，随着加入负载并逐渐增大，在不改变PID参数的情况下，电路的电流响应值越来越大。 可见，负载的加入使电机的电阻特性更加明显，同时，电机的功耗P=UI也逐渐增大。 2. 速度环调节 实际速度为w，为比较响应效果，Scope接w乘以反馈系数10/3000. P=1. I=0. D=0P=10. I=0. D=0P=10. I=10. D=0P=10. I=10. D=10P=10. I=20. D=10P=15. I=10. D=10 结论： 在电流环的响应基本可以跟随单位阶跃输入的前提下，调节速度环。系统的原始响应效果不好，依次加入P、I、D的调节，并反复做调整（大致过程见上表和上图所示），可以达到0.5s左右跟随输入并没有震荡和超调的结果。基本符合控制要求，继续进行位置环调节。 3. 位置环调节 P=1. I=0. D=0P=10. I=0. D=0P=10. I=10. D=0P=10. I=5. D=10P=2. I=5. D=10P=1. I=10. D=10P=1. I=20. D=10P=1. I=15. D=10 反复调节后，选择P=0.6. I=12. D=50，最终响应效果测量图如下： 结论： 三次PID嵌套的使用，使最外环的调节不那么困难，最终的跟随效果也比较理想。 在位置环的调节中，对PID各部分对系统响应效果的作用更加明显。 对该仿真模型而言，比例环节P=1都会引起较大的震荡和超调。可见比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。 积分环节的引入可以使稳态值与输入值近乎完美的拟合在一起，消除稳态误差。但是当I过大时，也会引起稳定性下降和动态响应的问题。 加入微分环节后，系统的动态性能得到改善，但不明显，对PI稍作调整后，再持续加大D的值，可以见到微分的超前控制作用的利好，超调和调节时间都明显减小。在仿真系统中，系统几乎没有外界干扰，D越大效果越好，但实际电机控制时，过大D会对系统的抗干扰性产生影响。 三、心得体会 在调节过程中总结出调节技巧如下： 1. 首先将PID设置为1,0,0，观察系统的??始响应能力。 2. 加大P直至出现震荡；若P过大，减小P直至震荡快要消失。 3. 如果存在静差，适量减小P（20%左右），逐渐加入I并使之递增 如果没有静差，加入D减小超调加快收敛 4. 消除静差，并同时保证稳定性后，考虑超调过大可加入D从小递增 5. 保证稳定、快速、无静差，反复调节参数。 四、参考文献 [1] 直流无刷电机控制器设计，许文强，2012年5月 [2] 直流电机双闭环PI控制技术研究，姜文彪，吴坚，2012年6月 [3] 数控交流伺服系统三环整定及应用，施丽婷，黄筱调，杨勇，2006年7月 [4]基于Simulink的直流伺服电机PID控制仿真，李沁生，于家凤，2011年3月 感谢蒋志宏老师在电机建模、PID调节、电机控制原理等问题上的悉心指导和耐心答疑指正！ 感谢组长陆胥坛同学及同组成员在matlab使用方面给予的帮助和讨论。