先进控制实验(直流伺服系统pid控制)

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1、专业实验报告实验名称先进控制理论实验（直流伺服系统）实验时间2015-6-18姓名XXX学号XXXXXXX简略实验内容、装置简图、实验过程及结果等：一、实验目的1.了解直流伺服试验系统；2.掌握直流伺服实验系统的实验建模方法；3.掌握PID控制器的设计与调节方法。二、实验仪器设备1.安装有matlab的PC机一台；2.直流伺服系统控制实验平台一套。三、实验原理1.由于开环控制系统控制的精度低，不能抑制外界的干扰，对元件特性变化敏感，因此，通常需要采用反馈控制。直流伺服系统是通过光电编码器来实现反馈

2、的；有了输入和反馈，当响应曲线不能满足期望指标时，就需要设计控制器。2.在设计控制器时，本实验是通过测定系统开环响应，辨识出开环系统的传递函数模型，然后利用SISOTOOL整定PID的参数，再对实际系统进行实验验证与控制器参数的调整。四、实验内容1.熟悉matlab仿真环境(1)掌握matlab的基本操作，如新建/保存/导入m文件及mdl文件，查看工作空间，了解matlab基本的指令等。(2)在simulink中新建mdl文件，熟悉基本的仿真模块的使用，对其参数进行相应的修改，搭建基本的仿真系统。

3、(3)保存搭建好的系统并运行，双击Scope模块，得到仿真曲线，能对仿真的精度及时间进行相应修改，能将Scope输出的变量保存到工作空间中再绘制曲线图。注意文件名保存时必须以字母开头，并只含有字母/数字/下划线。2.直流伺服实验系统的实时控制和模型辨识(1)打开直流伺服系统控制平台电控箱上的电源按钮；将matlab菜单栏的当前路径指向MotorControlSystem.mdl所在文件夹，打开MotorControlSystem.mdl，如下图所示：(1)点击编译程序，成功后连接程序并运行，电机开

4、始转动，运行5秒钟左右，停止程序。(2)双击打开示波器Scope，观察加入2000rpm的阶跃信号时直流伺服电机转速相应曲线，将曲线对应的数据导入matlab工作空间中，再保存到Excel表中，方便提取数据进行系统辨识。(3)参考文献“位置伺服系统中伺服电机的实验建模”或用系统辨识工具箱，辨识直流伺服电机的数学模型。1.PID控制器的设计与调节方法(1)在matlab命令窗口中输入直流伺服电机的模型；(2)在matlab命令窗口中键入“SISOTOOL”，打开设计界面，在界面中使用“File

5、Im

6、port”命令导入被控对象模型；(3)通过在原点添加一个极点，左半平面添加一对零点，使补偿器C为PID的形式；拖拽SISO界面添加的零极点，同时观察单位阶跃输入时的闭环响应曲线，寻找合适的P、I、D参数。(4)通过补偿器表达式计算出用于控制直流伺服电机的P、I、D参数。2.PID模块的封装(1)在之前所打开的MotorControlSystem.mdl文件中搭建PID模块并对其进行封装，PID模块如下图：(2)将封装的PID模块连接加到被测系统前，并形成反馈回路，如下图所示：(3)双击打开PID模

7、块，即可设置实验内容3所获得的P、I、D参数。3.PID控制效果检验(1)建立控制系统,由于电机最高转速3000rpm，因此，阶跃信号不可太大或太小，以1000~2000rpm为宜，本实验取2000rpm。(2)依次编译、连接、运行程序，电机开始转动，任其运行10s左右，然后停止程序；(3)打开示波器，观察加入2000rpm的阶跃信号时直流伺服电机转速响应曲线，测量并记录超调量，峰值时间，调节时间，填入实验记录表中。(4)检验系统性能指标是否达到：、、稳态误差为0。若所测的性能指标达到了要求，则P

8、、I、D参数则有效，否则回到实验内容2辨识数学模型和（或）实验内容3重新求取用于控制直流伺服电机的P、I、D参数，然后用实验内容5予以检验，直到达到性能指标为止。一、实验数据1.直流伺服系统辨识结果(1)利用文献得到开环系统的一阶辨识模型的传递函数为：，将此模型的阶跃响应曲线与实验的响应曲线相对比，有一定差距，因此考虑二阶辨识模型。(2)用matlab系统辨识工具箱得二阶辨识模型的传递函数为：。接下来控制器的设计采用的是二阶的辨识模型。2.PID参数整定在SISODesignTool界面中通过拖拽

9、添加的零极点与增益大小，观察单位阶跃输入闭环响应曲线与开环系统的bode图，寻找到合适的P、I、D参数。如图1为选取合适补偿器的参数，对应的SISO设计界面图以及单位阶跃响应分别如图2和图3所示。因为PID的形式为：，所以，由图1补偿器的选取可确定PID的参数为：、、。图1选取合适补偿器的参数图2选取合适补偿器参数的SISO界面图图3加补偿器后的阶跃响应曲线3.PID控制效果检验将设计好的PID控制器参数设定到闭环系统中，阶跃信号取2000rpm，依次编译、连接、运行程序。图4为加