[工学]计算机控制仿真课程设计报告

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1、《计算机控制仿真课程设计》课程设计报告2012年6月28日目录一、引言11.1计算机控制仿真简介11.2小组分工1二、数字PID闭环直流电机调速控制系统的设计和仿真实现22.1基本理论知识22.2设计要求52.3总体方案设计52.4详细设计62.5调试Simulink仿真112.6设计总结17三、大林算法计算机控制系统设计及仿真实现183.1设计要求183.2总体方案设计183.3基本理论知识193.4详细设计213.5调试Simulink仿真22四、二阶弹簧—阻尼系统的PID控制器设计及其参数整定284.1设计要求284.2总体方案设计294.3基本理论知识2

2、94.4详细设计324.5设计总结38五、二阶系统串联校正装置的设计与分析395.1设计要求395.2基本理论知识395.3详细设计405.4调试Simulink仿真445.5设计总结44六、单级倒立摆的最优控制器设计466.1设计要求466.2总体方案设计466.3基本理论知识476.4详细设计486.5调试Simulink仿真556.6设计总结55七、致谢56八、参考文献56一、引言1.1计算机控制仿真简介计算机控制仿真技术是近几十年发展起来的一种综合性实验技术，它建立在系统科学、系统建模、控制理论、计算机技术及计算方法等学科的基础上，对系统设计、研究和决策

3、提供了一种先进而有效的手段，并已被广泛应用于工程及非工程领域，取得了显著的成果。MATLAB是一种计算科学软件，利用它可以解决自动控制中遇到的问题。MATLAB的自动控制辅助设计功能，包过建立控制系统的数学模型，Simulink在系统仿真中的应用等。主要有数据可视化、创建用户图形界面和简单数据统计处理等，数据或图形的可视化是进行数据处理或图形图像处理的第一步，它不仅仅是二维，还可以是三维空间。1.2小组分工56二、数字PID闭环直流电机调速控制系统的设计和仿真实现2.1基本理论知识2.1.1数字PID的控制算法在模拟调节系统中，PID算法的表达式为：ut=KP+

4、KPTI0te(t)dt+KPTDde(t)dt式中：ut—调节器的输出信号；e(t)—调节器输入的偏差信号，它等于测量值与给定值之差；KP—调节器的比例系数；TI—调节器的时间积分常数；TD—调节器的时间微分常数。对上式进行离散化，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式表示：0te(t)dt=j=0kej∆t=Tj=0ke(j)de(t)dt≈ek-ek-1∆t=ek-e(k-1)T式中：∆t=T—采样周期；e(k)—第k次采样时的偏差值；e(k-1)—第k-1次采样时的偏差值；k—采样序号，k=0,1,2···u(k)

5、—第k次采样时调节器的输出。则有：uk=KPe(k)+KPTTIj=0ke(j)+KPTDek-e(k-1)Tuk-1=KPee(k-1)+KPTTIj=0k-1e(j)+KPTDek-1-e(k-2)T56上面两式相减：uk=uk-1+KP(1+TTI+TDT)e(k)-Kp(1+2TDT)e(k-1)+KPTDek-2Tuk=uk-1+KP[e(k)-e(k-1)]-KIe(k)+KDek-2ek-1+e(k-2)式中：KI=KPTTI—积分系数；KD=KpTDT—微分系数。位置式PID控制算法：uk-1=KPee(k-1)+KPTTIj=0k-1e(j)+

6、KPTDek-1-e(k-2)T图2-1位置式PID控制算法结构框图增量式PID控制算法∆uk=KP(1+TTI+TDT)e(k)-Kp(1+2TDT)e(k-1)+KPTDek-2T图2-2增量式PID控制算法结构框图562.1.2PID调节器参数对控制性能的影响1、不同Kp对控制性能的影响(1)对动态性能的影响比例控制参数Kp加大，使系统的动作灵敏，速度加快；Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长；当Kp太大时，系统会趋于不稳定；若Kp太小，又会使系统的动作缓慢。(2)对稳态性能的影响加大比例控制系数Kp，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差提高控制精度，却不

7、能完全消除稳态误差。2、积分控制参数TI对控制性能的影响(1)对动态性能的影响积分控制参数TI通常使系统的稳定性下降。TI太小系统将不稳定，TI偏小，振荡次数较多，TI太大，对系统性能的影响减少。(2)对稳态性能的影响积分控制参数TI能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但TI太大时，积分作用呆太弱，以至不能减少稳态误差。3、微分控制参数TD对控制性能的影响微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当TD偏大时，超调量较大，当TD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。2.1.3采样时间T的选择（

8、1）T越小，随动性和抗干