Matlab-孙海娟.doc

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1、南京工程学院课程设计说明书成绩题目汽车运动控制系统的设计与仿真课程名称Matlab课程设计院（系、部、中心）工程实训中心专业自动化（系统集成）班级D自集成091学生姓名孙海娟学号233090115设计时间2012年1月3日设计地点基础实验楼B114指导教师程啟华2012年1月南京目录一、课设目的2二、控制对象分析2三、课设设计要求3四、控制器设计过程和控制方案34.1、系统阶跃函数表示34.2、PID的组成以及作用44.3模拟PID控制系统和离散PID控制系统4五、控制系统仿真结构图65.1、一阶系统开环传递函数仿真结构图65

2、.2、一阶系统仿真结构图7六、仿真结果及指标7七、收获和体会12Matlab与控制系统仿真设计一、课设目的针对具体的设计对象进行数学建模，然后运用经典控制理论知识设计控制器，并应用Matlab进行仿真分析。通过本次课程设计，建立理论知识与实体对象之间的联系，加深和巩固所学的控制理论知识，增加工程实践能力。二、控制对象分析考虑图1所示的汽车运行控制系统。如果忽略车轮的转动惯量，并且假定汽车受到的摩擦阻力大小与运动速度成正比，方向与汽车运动方向相反，则该系统可以简化成简单的质量阻尼系统。图1.汽车运动示意图根据牛顿运动定律，该系统

3、的模型(亦即系统的运动方程)表示为（1）其中，u为汽车驱动力（系统输入），m为汽车质量，b为摩擦阻力与运动速度之间的比例系数，为汽车速度（系统输出），为汽车加速度。假定，，。其中稳态误差为静态指标，超调量为动态指标。三、课设设计要求（1）当汽车的驱动力为500N时，汽车将在5s内达到10m/s的稳定速度。（2）当将驱动力撤除后，汽车将在5s内速度降为5m/s（3）最大超调量<10%，稳态误差<2%。（4）设计PID控制器，完成上述控制要求。四、控制器设计过程和控制方案4.1、系统阶跃函数表示为了得到系统的传递函数，我们对（1）

4、进行拉普拉斯变换。又（2）假定系统的初始条件为零，则：一阶方程：（3）根据式（3）可得系统的传递函数为：一阶传递函数:（4）4.2、PID的组成以及作用在数字PID的控制系统中，系统特性主要由KP、KI、KD三个参数控制，因此调节三个参数的大小使适合设计要求是该设计的重点和难点。总结三个参数对系统的作用如下：Kp为比例参数，加大时，可使系统动作灵敏，速度加快，在系统稳定的情况下，系统的稳态误差将减小，却不能完全消除系统的稳态误差。Kp偏大时，系统震荡次数增多，调节时间加长。Kp太大时，系统会趋于不稳定。而如果Kp太小时，又会使

5、系统动作缓慢。KI为积分系数，积分作用能消除稳态误差，提高控制精度，系统引入积分作用通常使系统的稳定性下降，KI太大时系统将不稳定；KI偏大时系统的震荡次数较多，KI偏小时，积分作用对系统的影响减小；KI大小比较适合时系统的过渡过程比较理想。KD为微分控制系数，微分控制经常与比例控制或积分控制联合作用，构成PID控制，引入PID控制可以改善系统的动态特性，当KD偏小时，超调量较大，调节时间也较长，当KD偏大时，超调量也较大，调节时间较长，只有选择合适时，才能得到比较满意的过渡过程。4.3模拟PID控制系统和离散PID控制系统图

6、2.模拟PID控制系统连续系统PID调节器的控制规律为:（5）Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。对式（5）取拉氏变换，整理后得PID控制器的传递函数为：(6)其中：——积分系数；——微分系数。式（6）是典型的按偏差控制的负反馈结构，其中式（5）e是偏差，即输出量与设定值之间的差，u是控制量，作用于被控对象并引起输出量的变化。Kp为比例系数，其控制效果是减少相应曲线的上升时间及静态误差，但无法做到消除静态误差，因此，单纯的p校正是有差调节，一般不会单独使用，KI为积分系数，其效果是消除静态误差。KD为微分控

7、制系数，其控制效果增强系统的稳定性，减少过渡过程时间，降低超调量。当采样周期T足够小时，令（7）把（7）整理后得到(8)两边取Z变换，整理后得PID控制器的Z传递函数为：(9)(10)其中,离散PID控制系统如图所示图3.离散PID控制系统在本题中可知系统的传递函数为：（一阶）（11）五、控制系统仿真结构图利用MATLAB的Simulink仿真系统进行本次实验的系统仿真，首先在Simulink仿真系统中画出系统仿真结构图。5.1、一阶系统开环传递函数仿真结构图根据式（9）可建立如图4所示图4.一阶系统传递函数仿真结构图5.2、

8、一阶系统仿真结构图根据式（9）、（10）、（11）可建立系统控制如图5图5.系统仿真结构图六、仿真结果及指标该仿真图是关于速度V-时间t的关系坐标，如图6所示：图6是输入阶跃信号的一阶开环传递函数的响应曲线仿真图图6.仿真图（1）首先我们确定采样周期。采样周期的选择既不能过大