课程设计（论文）-控制系统的设计与仿真

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1、专业课程设计——控制系统的设计与仿真摘要随着计算机技术的飞速发展，控制系统计算机辅助设计技术在工具、理论和算法上取得了巨大的进步，以前难于设计的控制系统现在可用新方法和新策略较容易地得到结果。在目前诸多控制系统设计方法中，处于主导地位的是频域设计方法和时域设计方法。频域设计方法根据系统的传递函数进行设计，是最经典也是应用最广泛的设计方法。它是在给定的性能指标下，对于给定的对象模型，确定一个能够完成给定任务的控制器（也称为校正器或者补偿控制器）。在频域设计方法中，常用的有校正、多变量系统设计、定量反馈控制设计等方法。其中

2、，多变量系统的各种设计方法是控制系统的频域设计方法的核心。用频域法研究单输入单输出线性定常系统，用传递函数描述控制系统，用频域设计方法设计和分析控制系统的理论和方法，通常被称为经典控制理论。时域设计方法是基于系统的状态空间模型来进行的，相对频域设计方法，这种方法产生较晚，但发展迅速。目前时域设计方法在工程实际中已不可或缺。在时域设计领域，极点配置设计方法，解藕控制设计方法，线性二次型设计方法是最常用、最有效的设计方法。这种以线性代数为数学工具，用状态空间法描述系统内部的动态性能，用时域设计方法设计和分析控制系统的理论和

3、方法也称为现代控制理论。28专业课程设计——控制系统的设计与仿真目录第一节PID控制器概述31.1连续PID控制器31.2离散PID控制器51.3PID控制器的变形5第二节过程系统的一阶延迟模型近似72.1由响应曲线识别一阶模型72.2基于频域响应的近似方法92.3基于传递函数的辨识方法102.4最优降阶方法102.5传递函数近似一阶模型的拟合11第三节Ziegler-Nichols参数整定方法123.1Ziegler-Nichols经验公式123.1.1控制器133.1.2控制器143.1.3控制器16第四节最优PI

4、D整定算法19第五节PID控制器的实现235.1在MATLAB下的仿真235.2PID控制器的电路实现24第六节心得体会27参考文献2828专业课程设计——控制系统的设计与仿真第一节PID控制器概述1.1连续PID控制器PID控制一般使用图1.1中给出的控制系统结构。在实际控制中，PID控制器计算出来的控制信号还应该经过一个驱动器后去控制受控对象，而驱动器一般可以近似为一个饱和非线性环节，这时PID控制系统结构如图1.2所示。u(t)控制器y(t)受控对象r(t)e(t)———图1.1串联控制器基本结构PID控制器y(

5、t)受控对象e(t)控制器u(t)———r(t)图1.2PID类控制的基本结构28专业课程设计——控制系统的设计与仿真其中，连续PID控制器的最一般形式为（1-1）其中，和分别是对系统误差信号及其积分与微分量的加权，控制器通过这样的加权就可以计算出控制信号，驱动受控对象模型。如果控制器设计得当，则控制信号将能使得误差按减小的方向变化，达到控制的要求。图1.2中描述的系统为非线性系统，在分析时为简单起见，令饱和非线性的饱和参数为∞，就可以忽略饱和非线性，得出线性系统模型进行分析。PID控制的结构简单，另外，这三个加权系数

6、，和都有明显的物理意义：比例控制器直接响应于当前的误差信号，一旦发生误差信号，则控制器立即发生作用以减少偏差，的值大则偏差将变小，然而这不是绝对的，考虑根轨迹分析，无限地增大会使得闭环系统不稳定；积分控制器对以往的误差信号发生作用，引入积分控制能消除控制中的静态误差，但的值增大可能增加系统的超调量；微分控制对误差的导数，亦即变化率发生作用，有一定的预报功能，能在误差有大的变化趋势时施加合适的控制，的值增大能加快系统的响应速度，减小调节时间。连续PID控制器的Laplace变成形式可以写成（1-2）在实际的过程控制中，常

7、常将控制器的数学模型写作（1-3）比较式（1-1）与（1-3）中可以轻易发现，。所以二者是完全等价的。对式（1-3）两端进行Laplace变换，则可以推导出控制器的传递函数为（1-4）28专业课程设计——控制系统的设计与仿真为避免纯微分运算，经常用一阶滞后环节去近似纯微分环节，亦即将PID控制器写成（1-5）其中N∞则为纯微分运算，在实际应用中N取一个较大的值就可以很好地进行近似，例如取N=10。实际仿真研究可以发现，在一般实例中，N不必取得很大，取10以上就可以较好地逼近实际的微分效果。1.2离散PID控制器如果采样

8、周期T的值很小，在kT时刻误差信号e(kT)的导数与积分就可以近似为（1-6）（1-7）将其代入式（1-1），则可以写出离散形式的PID控制器为（1-8）（1-9）1.3PID控制器的变形l积分分离式PID控制器：在PID控制器中，积分的作用是消除静态误差，但由于积分的引入，系统的超调量也将增加，所以在实际的控制器应用中，一种很显