球桿系統(tǒng)的數(shù)字PID控制實(shí)驗(yàn)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告開課學(xué)院及實(shí)驗(yàn)室： 學(xué) 院機(jī)電年級(jí)、專業(yè)、班姓名學(xué)號(hào)實(shí)驗(yàn)課程名稱計(jì)算機(jī)控制技術(shù)成績(jī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn)5 球桿系統(tǒng)的數(shù)字PID控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?熟悉Matlabsimulink軟件；2通過(guò)試湊法確定球桿系統(tǒng)的PID參數(shù)； 3在球桿系統(tǒng)上驗(yàn)證PID參數(shù)的控制效果。二、使用儀器、材料1球桿系統(tǒng)裝置。2裝有matlab2012b的計(jì)算機(jī)。三、實(shí)驗(yàn)步驟1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)前先用Matlabsimulink軟件進(jìn)行仿真。給出球桿裝置的理想傳遞函數(shù)Gs=1.853s2(1) 用Simulink設(shè)計(jì)出該系統(tǒng)的模型。輸入信號(hào)為階躍信號(hào)，控制器選擇PID。(2) 用試湊法確定

2、出合適的PID參數(shù)。(3) 比較設(shè)置不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)特性。2進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。測(cè)試好現(xiàn)場(chǎng)裝置后，試著將仿真后得出的幾個(gè)PID參數(shù)輸入到控制系統(tǒng)中，觀察球桿裝置的運(yùn)行情況。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整參數(shù)使系統(tǒng)取得良好的控制效果。(1）打開球桿系統(tǒng)電控箱上的電源按鈕，在MATLAB/Current Folder 中打開文件系統(tǒng)自帶程序“PID_ Control_Modify.slx”，會(huì)彈出如圖所示的實(shí)時(shí)控制界面(2）雙擊“PID Controller”模塊，設(shè)置Kp、Ki、Kd的參數(shù)，參數(shù)為仿真過(guò)程得出的參數(shù)。雙擊“Step”模塊，設(shè)置階躍信號(hào)參數(shù)：step time=0，initial value=0，fin

3、al value=0.25。(3) 點(diǎn)擊編譯程序，待編譯成功后，點(diǎn)擊連接程序，點(diǎn)擊運(yùn)行程序，觀察球桿和小球的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。待小球靜止后，點(diǎn)擊停止程序，打開示波器scope觀察響應(yīng)曲線的超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間。若能達(dá)到理想的控制效果，說(shuō)明所設(shè)置的PID參數(shù)合理。否則，根據(jù)波形呈現(xiàn)的超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間，以及最終穩(wěn)定后呈現(xiàn)的靜差，調(diào)整PID參數(shù)，繼續(xù)調(diào)試系統(tǒng)，最終達(dá)到理想的控制效果。四、實(shí)驗(yàn)過(guò)程原始記錄（程序、數(shù)據(jù)、圖表、計(jì)算等）1Simulink仿真程序框圖如下：系統(tǒng)輸入為階躍信號(hào)，階躍時(shí)間為0，初始值為0，終值定為1,采樣時(shí)間為0.1。用試湊法設(shè)置的PID參數(shù)如下：(1)首先設(shè)置比例系數(shù)(P):運(yùn)行仿真程序

4、，得到的輸出響應(yīng)波形如下圖所示：觀察波形可知，靜態(tài)誤差太大，故加入積分環(huán)節(jié)消除靜態(tài)誤差。（2）根據(jù)比例環(huán)節(jié)設(shè)置積分環(huán)節(jié)參數(shù)（I）：運(yùn)行之后的波形如下圖所示：可見(jiàn)加入積分環(huán)節(jié)之后，雖然減小了靜態(tài)誤差，可同時(shí)也降低了系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，甚至出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，故需加入微分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)穩(wěn)定。（3）根據(jù)比例積分環(huán)節(jié)加入微分環(huán)節(jié)（D）：運(yùn)行之后的波形如下圖所示：從波形圖可知，超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時(shí)間減小，振蕩消失，系統(tǒng)穩(wěn)定。2將以上通過(guò)試湊法整定的PID參數(shù)（4,0.2，8）輸入到現(xiàn)場(chǎng)球桿系統(tǒng)的PID控制器中，運(yùn)行系統(tǒng)，觀察系統(tǒng)的輸出波形：由于設(shè)備誤差，系統(tǒng)輸出波形一開始無(wú)法穩(wěn)定，小球位置不能準(zhǔn)確停在球桿上，但從后

5、半段波形可知，系統(tǒng)在穩(wěn)定之前存在很大誤差，需要調(diào)節(jié)積分參數(shù)，從而減小誤差，將參數(shù)I調(diào)整為0.4，再次運(yùn)行：可以看到，輸出波形比之前更加穩(wěn)定，誤差減小，從而證明積分參數(shù)有助于減小誤差，但系統(tǒng)還存在振蕩現(xiàn)象，調(diào)節(jié)微分環(huán)節(jié)消除振蕩。繼續(xù)調(diào)整參數(shù)，比較控制效果：設(shè)定Kp=1.5，Ki=0.42，Kd=1.65，運(yùn)行和觀察： 從波形圖可知，調(diào)節(jié)微分環(huán)節(jié)有助于減小振蕩和超調(diào)量，此時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及總結(jié)理論數(shù)據(jù)輸入到實(shí)際球桿系統(tǒng)中時(shí)，波形效果比理論效果相比差很多，可見(jiàn)仿真只是理論參考而已，需與實(shí)際結(jié)合才能得出最佳參數(shù)；而且實(shí)驗(yàn)儀器也會(huì)存在很多未知誤差，從波形圖可知，系統(tǒng)一開始會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重振蕩，之后逐漸趨于穩(wěn)定，可能是電機(jī)誤差，也可能是傳感器誤差，所以都需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試才能設(shè)法消除這些誤差。通過(guò)試湊法得出的參數(shù)并非適用于實(shí)際系統(tǒng)，仍需通過(guò)比例積分微分