動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真-實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 了解位置伺服系統(tǒng)的組成及工作原理;(2) 了解不同控制策略對(duì)系統(tǒng)性能的影響。2實(shí)驗(yàn)設(shè)備(1)硬件：PC機(jī)。(2)工具軟件：操作系統(tǒng)：Windows7;軟件工具：MATLAR2014a及simulink 。3工作原理及實(shí)驗(yàn)要求3.1實(shí)驗(yàn)原理圖3.1是一個(gè)以直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件的位置伺服系統(tǒng)的方塊圖，Gc(S)為控制器，Uf為與作用于轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的摩擦力矩相對(duì)應(yīng)的電壓值。對(duì)于位置伺服控制系統(tǒng)，控制器的輸出并不是直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而是經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換及功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。 控制的目標(biāo)，是使由位置傳感器及測(cè)量裝置給出位置反饋信號(hào)跟蹤指令信號(hào)。實(shí)際的控制對(duì)象中包含D/A、功率放大器、電

2、機(jī)、負(fù)載、位置傳感器及測(cè)量裝置等環(huán)節(jié)，在本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，將各環(huán)節(jié)的 模型適當(dāng)簡(jiǎn)化，得到廣義被控對(duì)象為如下形式:(1.1)Gp J?4s其中J為等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為等效阻尼系數(shù)。圖3.1位置伺服系統(tǒng)方塊圖3.2實(shí)驗(yàn)要求(1)采用PID控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，求出負(fù)載轉(zhuǎn)角的響應(yīng)曲線。要求考慮摩擦力矩、控制器輸出飽和等非線性因素的影響。(2)采用模糊控制算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，求出求出負(fù)載轉(zhuǎn)角的響應(yīng)曲線，并與PID控制的響應(yīng)曲線進(jìn)行比較。仿真時(shí)要求考慮摩擦力矩、控制器輸出飽和等非線性因素的影響。4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟4.1 PD控制位置伺服系統(tǒng)仿真(1)定義參數(shù):系統(tǒng)仿真圖為圖4.1，信號(hào)發(fā)生器選擇幅值為5頻率1的

3、正弦信號(hào)，在本次實(shí)驗(yàn)中Gp J一，參數(shù) J取0.05，參數(shù) B取0.5。摩擦力矩Js BsUf u J ,u為控制輸出，J為等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)速。非線性飽和器上下限非別為10-10。(2) PD參數(shù)整定本次仿真采用試湊法確定PID控制器參數(shù)，試湊法就是根據(jù)控制器各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響程度，邊觀察系統(tǒng)的運(yùn)行，邊修改參數(shù)，直到滿意為止。一般情況下，增大比例系數(shù)KP會(huì)加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，有利于減少靜差。但過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩使穩(wěn)定性變差。減小積分系數(shù)KI將減少積分作用，有利于減少超調(diào)使系統(tǒng)穩(wěn)定，但系統(tǒng)消除靜差的速度慢。增加微分系數(shù) KD有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)，是超調(diào)減少，穩(wěn)定性

4、增加，但對(duì)干擾的抑制能力會(huì)減弱。在試湊時(shí)，一般可根據(jù)以上參數(shù)對(duì)控制過程的影響趨勢(shì)，對(duì)參數(shù)實(shí)行先比例、后積分、再微分的步驟進(jìn)行整定。本次實(shí)驗(yàn)中比例系數(shù) Kp取35,Kv取9.(3)仿真結(jié)果Simulink仿真結(jié)果如圖4.2，將仿真圖導(dǎo)入matlab工作空間，在命令窗口作出仿真結(jié)果圖，如圖4.3。通過仿真圖可以看出PD控制器控制效果比較明顯，實(shí)際轉(zhuǎn)速能較好的的跟蹤輸入曲線，但是跟蹤時(shí)間有滯后。圖4.3 PD控制轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線PD控制轉(zhuǎn)速跟蹤曲線543210-1-2111ll1LIli' Ll 111II11 |1"1111II1iI1I;,11/I11FLl111iiI1I/II/

5、11|1rr1ps'實(shí) 期際轉(zhuǎn)速曲線 望轉(zhuǎn)速曲線-3-4-502468101214161820仿真時(shí)間（s）圖4.4 PD控制轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線跟蹤4.2模糊控制位置伺服系統(tǒng)仿真(1)模糊控制器設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)需要確定模糊控制器輸入變量為偏差E和偏差變量EC輸出變量為U。E和U的論域?yàn)?10 ,10 , EC的論域?yàn)?1 , 1,隸屬度函數(shù)均為高斯函數(shù)，設(shè)計(jì)分別如圖4.5，4.6,4.7 0圖4.5輸入變量E圖4.6輸入變量EC圖4.7輸出變量U通過模糊規(guī)則編輯器設(shè)計(jì)模糊規(guī)則，如圖4.8.利用面積質(zhì)心法去模糊化編輯好模糊控制器(FUZZY.fis )導(dǎo)入MATLAB：作空間。H kule Ldi

6、tor: l-UZZVFik I Edit View Optionsr. IT&It N號(hào)>ri4<ECItMEI)thtn.屮HMS/>2 IfisNBj nnd<fC區(qū)MS)ItienOJHWXn3. I(EIM NS ana igECi巳ZC)thwn(UisNZJ (1S. i-r<EanB> ar d (ECaPS)tn on(U»h£hi>fi IT <iFtft hi M)靛KI 叩FCMP)Ihn(IJ矗Nl> <1>7. If fEa rJM>and fEC »MS)

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8、tpThenLI IS.NUNMHSPSNOCluse圖4.8模糊規(guī)則編輯器(2)模糊控制位置伺服系統(tǒng)該節(jié)對(duì)象參數(shù)與上節(jié)參數(shù)一致，利用simulink畫出仿真圖，如圖4.9，通過試湊法得出量化因子為60, 0.1,2。圖4.9模糊控制位置伺服系統(tǒng)(3) 仿真結(jié)果Simulink 仿真結(jié)果如圖4.10, matlab仿真結(jié)果如圖4.11，從圖4.11中可看出模糊控制轉(zhuǎn)速曲線幾乎與輸入曲線一致，擬合效果非常好。543210-1-2-3-4圖4.10simulin仿真結(jié)果圖'l1/J/*1111,n1/IIIIII1t1TJJ1I /11I'I1111I11II I1和)111'111111/111)IIy/I /1模糊控制轉(zhuǎn)速曲線 輸入曲線n- / fl.模糊控制轉(zhuǎn)速跟蹤曲線-502468101214161820仿真時(shí)間(s)圖4.11模糊控制轉(zhuǎn)速跟蹤曲線5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析簡(jiǎn)單，