實(shí)驗(yàn)二PID控制特性的實(shí)驗(yàn)研究

百度文庫(kù)百度文庫(kù)PAGEPAGE27百度文庫(kù)2013學(xué)年第1學(xué)期院別:課程名稱:自動(dòng)控制原理A實(shí)驗(yàn)名稱:PID控制特性的實(shí)驗(yàn)研究實(shí)驗(yàn)教室:指導(dǎo)教師:小組成員（姓名，學(xué)號(hào)）: 實(shí)驗(yàn)日期：評(píng)分：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)習(xí)并掌握利用MATLAB編程平臺(tái)進(jìn)行控制系統(tǒng)復(fù)數(shù)域和頻率域仿真的方法。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)研究并總結(jié)PID控制規(guī)律及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性影響的規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究并總結(jié)PID控制規(guī)律及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)根軌跡、頻率特性影響的規(guī)律，并總結(jié)系統(tǒng)特定性能指標(biāo)下根據(jù)根軌跡圖、頻率響應(yīng)圖選擇PID控制規(guī)律和參數(shù)的規(guī)則。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)及要求：實(shí)驗(yàn)任務(wù)：自行選擇被控對(duì)象模型及參數(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)程序及步驟仿真研究分別采用比例（P）、比例積分（PI）、比例微分（PD）及比例積分微分（PID）控制規(guī)律和控制參數(shù)（Kp、KI、KD）不同變化時(shí)控制系統(tǒng)根軌跡、頻率特性和時(shí)域階躍響應(yīng)的變化，總結(jié)PID控制規(guī)律及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性、系統(tǒng)根軌跡、系統(tǒng)頻率特性影響的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上總結(jié)在一定控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求下，根據(jù)系統(tǒng)根軌跡圖、頻率響應(yīng)圖選擇PID控制規(guī)律和參數(shù)的規(guī)則。實(shí)驗(yàn)要求：分別選擇P、PI、PD、PID控制規(guī)律并給定不同的控制參數(shù)，求取系統(tǒng)根軌跡、頻率特性、時(shí)域階躍響應(yīng)。通過(guò)繪圖展示不同控制規(guī)律和參數(shù)系統(tǒng)響應(yīng)的影響。按照不同控制規(guī)律、不同參數(shù)將根軌跡圖、頻率響應(yīng)圖和時(shí)域響應(yīng)圖繪制同一幅面中。通過(guò)根軌跡圖、頻率響應(yīng)圖和時(shí)域響應(yīng)圖分別計(jì)算系統(tǒng)性能指標(biāo)并列表進(jìn)行比較，總結(jié)PID控制規(guī)律及參數(shù)對(duì)系統(tǒng)特性、系統(tǒng)根軌跡、系統(tǒng)頻率特性影響的規(guī)律?？偨Y(jié)在一定控制系統(tǒng)性能指標(biāo)要求下，根據(jù)系統(tǒng)根軌跡圖、頻率響應(yīng)圖選擇PID控制規(guī)律和參數(shù)的規(guī)則。全部采用MATLAB平臺(tái)編程完成。三、涉及實(shí)驗(yàn)的相關(guān)情況介紹（包含實(shí)驗(yàn)軟件、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)等情況）：設(shè)計(jì)一個(gè)如圖所示的帶控制器的閉環(huán)系統(tǒng)1、比例（P）控制，即，畫出系統(tǒng)的根軌跡圖，在根軌跡圖上選擇使得系統(tǒng)處于過(guò)阻尼、臨界阻尼、欠阻尼三種狀態(tài)的三組點(diǎn)，并得出對(duì)應(yīng)三種阻尼情況的值，繪制對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線和Bode圖。2、比例積分（PI）控制，即，設(shè)計(jì)參數(shù)、使得由控制器引入的開環(huán)零點(diǎn)分別處于：1）被控對(duì)象兩個(gè)極點(diǎn)的左側(cè)，則>10,取=15；2）被控對(duì)象兩個(gè)極點(diǎn)之間,則3<<10，取=6；3）被控對(duì)象兩個(gè)極點(diǎn)的右側(cè)（不進(jìn)入右半平面）,則<3，取=2。分別繪制三種情況下的根軌跡圖，在根軌跡圖上確定主導(dǎo)極點(diǎn)及控制器的相應(yīng)參數(shù)；通過(guò)繪制對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線和Bode圖，確定三種情況下系統(tǒng)性能指標(biāo)隨參數(shù)和的變化情況。總結(jié)比例積分（PI）控制的規(guī)律。3、比例微分（PD）控制，即設(shè)計(jì)參數(shù)、使得由控制器引入的開環(huán)零點(diǎn)分別處于：1）被控對(duì)象兩個(gè)極點(diǎn)的左側(cè)，則<,取=；2）被控對(duì)象兩個(gè)極點(diǎn)之間,則<<,取=；3）被控對(duì)象兩個(gè)極點(diǎn)的右側(cè)（不進(jìn)入右半平面），則>,取=。分別繪制三種情況下的根軌跡圖，在根軌跡圖上確定控制器的相應(yīng)參數(shù)；通過(guò)繪制對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線和Bode圖，確定三種情況下系統(tǒng)性能指標(biāo)隨參數(shù)和的變化情況?？偨Y(jié)比例積分（PD）控制的規(guī)律。4、比例積分微分（PID）控制，即,令，則，，設(shè)計(jì)參數(shù)、、使得由控制器引入的兩個(gè)開環(huán)零點(diǎn)分別處于：1）實(shí)軸上：固定一個(gè)開環(huán)零點(diǎn)在被控對(duì)象兩個(gè)開環(huán)極點(diǎn)的左側(cè)，使另一個(gè)開環(huán)零點(diǎn)在被控對(duì)象的兩個(gè)極點(diǎn)的左側(cè)、之間、右側(cè)（不進(jìn)入右半平面）。固定一個(gè)開環(huán)零點(diǎn)=-15,=151.1在被控對(duì)象的兩個(gè)極點(diǎn)的左側(cè)，即<-10，則/>25，/>150；1.2在被控對(duì)象的兩個(gè)極點(diǎn)的之間，即-10<<-3，則18</<25，45</<150；1.3在被控對(duì)象的兩個(gè)極點(diǎn)的右側(cè)（不進(jìn)入右半平面），即-3<<0，則15</<18，0</<45。分別繪制三種情況下的根軌跡圖，在根軌跡圖上確定主導(dǎo)極點(diǎn)及控制器的相應(yīng)參數(shù)；通過(guò)繪制對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線和Bode圖，確定三種情況下系統(tǒng)性能指標(biāo)隨參數(shù)、和的變化情況。2）復(fù)平面上：分別固定兩個(gè)共軛開環(huán)零點(diǎn)的實(shí)部（或虛部），讓虛部（或?qū)嵅浚┨幱谌齻€(gè)不同位置。固定虛部，實(shí)部分別取-2、-6、-20，即2.1=-2+j1,=-2-j1,則/=4，/=5；2.2=-6+j1,=-6-j1,則/=12，/=37；2.3=-20+j1,=-20-j1,則/=40，/=401。分別繪制根軌跡圖并觀察其變化；在根軌跡圖上選擇主導(dǎo)極點(diǎn)，確定相應(yīng)的控制器參數(shù)；通過(guò)繪制對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線和Bode圖，確定六種情況下系統(tǒng)性能指標(biāo)隨參數(shù)、和的變化情況。綜合以上兩類結(jié)果，總結(jié)比例積分微分（PID）控制的規(guī)律。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（含實(shí)驗(yàn)仿真程序、仿真曲線、數(shù)據(jù)記錄表格及實(shí)驗(yàn)規(guī)律分析與總結(jié)等，可附頁(yè)）：1、比例（P）控制繪制根軌跡圖仿真程序1-1num=1;den=conv([13],[110]);rlocus(num,den)rlocfind(num,den)rlocfind(num,den)rlocfind(num,den)gtext('欠阻尼');gtext('臨界阻尼');gtext('過(guò)阻尼');對(duì)應(yīng)的根軌跡圖如下圖所示在根軌跡圖上選擇三個(gè)開環(huán)增益值為（過(guò)阻尼），（臨界阻尼），（欠阻尼）的點(diǎn)。繪制對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線和Bode圖。仿真程序1-2kp=[4.7612.316.2];t=[0:0.001:10];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([kp(i)],[11330+kp(i)]);subplot(2,2,i);step(sys,t)gridonendholdoffgtext('KP=4.76過(guò)阻尼');gtext('KP=12.3臨界阻尼');gtext('KP=16.2欠阻尼');對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示繪制對(duì)應(yīng)的Bode圖仿真程序1-3kp=[4.7612.316.2];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([kp(i)],[11330]);subplot(2,2,i);bode(sys)gridonendholdoffgtext('KP=4.76過(guò)阻尼');gtext('KP=12.3臨界阻尼');gtext('KP=16.2欠阻尼');對(duì)應(yīng)的Bode圖如下圖所示實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)：在過(guò)阻尼時(shí)隨著kp的增大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)時(shí)間減小在欠阻尼時(shí)隨著kp的增加，系統(tǒng)的超調(diào)量增加，穩(wěn)態(tài)時(shí)間增加2、比例積分（PI）控制：1）被控對(duì)象兩個(gè)極點(diǎn)的左側(cè)，取=15繪制根軌跡圖仿真程序2-1p=[1562];q=conv([130],[110]);holdonfori=1:length(p)figure(i)rlocus([1p(i)],q)rlocfind([1p(i)],q)rlocfind([1p(i)],q)rlocfind([1p(i)],q)gtext('欠阻尼');gtext('臨界阻尼');gtext('過(guò)阻尼');endholdoff對(duì)應(yīng)的根軌跡圖如下圖所示在根軌跡圖上選擇三個(gè)開環(huán)增益值為（過(guò)阻尼），（臨界阻尼），（欠阻尼）的點(diǎn)，并繪制所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線和Bode圖。仿真程序2-2kp=[0.9291.4275];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([kp(i)15*kp(i)],[11330+kp(i)15*kp(i)]);subplot(2,2,i);step(sys)gridonendholdoffgtext('KP=0.929過(guò)阻尼');gtext('KP=1.42臨界阻尼');gtext('KP=75欠阻尼');對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示繪制對(duì)應(yīng)的Bode圖仿真程序2-3kp=[0.9291.4275];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([kp(i)15*kp(i)],conv([130],[110]));subplot(2,2,i);bode(sys)gridonendholdoffgtext('KP=0.929過(guò)阻尼');gtext('KP=1.42臨界阻尼');gtext('KP=75欠阻尼');其Bode圖若下圖所示2）被控對(duì)象兩個(gè)極點(diǎn)之間，取=6；繪制根軌跡圖仿真程序（見仿真程序2-1）其根軌跡圖如下圖所示在根軌跡圖上選擇三個(gè)開環(huán)增益值為（過(guò)阻尼），（臨界阻尼），（欠阻尼）的點(diǎn)，并繪制所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線和Bode圖。仿真程序2-4kp=[2.774.28149];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([kp(i)6*kp(i)],[11330+kp(i)6*kp(i)]);subplot(2,2,i);step(sys)gridonendholdoffgtext('KP=2.77過(guò)阻尼');gtext('KP=4.28臨界阻尼');gtext('KP=149欠阻尼');其所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示繪制對(duì)應(yīng)的Bode圖仿真程序2-5kp=[2.774.28149];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([kp(i)6*kp(i)],conv([130],[110]));subplot(2,2,i);bode(sys)gridonendholdoffgtext('KP=2.77過(guò)阻尼');gtext('KP=4.28臨界阻尼');gtext('KP=149欠阻尼');其Bode圖如下圖所示3）被控對(duì)象兩個(gè)極點(diǎn)的右側(cè)（不進(jìn)入右半平面），取=2。繪制根軌跡圖仿真程序（見仿真程序2-1）其根軌跡圖如下圖所示在根軌跡圖上選擇三個(gè)開環(huán)增益值為（過(guò)阻尼），（臨界阻尼），（欠阻尼）的點(diǎn)，并繪制其所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線和Bode圖。仿真程序2-6kp=[10.31874.6];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([kp(i)2*kp(i)],[11330+kp(i)2*kp(i)]);subplot(2,2,i);step(sys)gridonendholdoffgtext('KP=10.3過(guò)阻尼');gtext('KP=18臨界阻尼');gtext('KP=74.6欠阻尼');對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示繪制Bode圖仿真程序2-7kp=[10.31874.6];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([kp(i)2*kp(i)],conv([130],[110]));subplot(2,2,i);bode(sys)gridonendholdoffgtext('KP=10.3過(guò)阻尼');gtext('KP=18臨界阻尼');gtext('KP=74.6欠阻尼');其Bode圖如下圖所示實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)：PI控制時(shí)當(dāng)增加零點(diǎn)在控制極點(diǎn)的左邊時(shí)隨著kp的增加超調(diào)量增加態(tài)時(shí)間增加當(dāng)增加零點(diǎn)在控制極點(diǎn)的中間時(shí)隨著kp的增加調(diào)量增加，穩(wěn)態(tài)時(shí)間減小當(dāng)增加零點(diǎn)在控制極點(diǎn)的右（不在坐標(biāo)軸右邊隨著kp的增加調(diào)量不變，穩(wěn)態(tài)時(shí)間減小。3、比例微分（PD）控制：1)被控對(duì)象兩個(gè)極點(diǎn)的左側(cè)，取取=；繪制根軌跡圖仿真程序3-1p=[0.050.21];q=conv([13],[110]);holdonfori=1:length(p)figure(i)rlocus([p(i)1],q)rlocfind([p(i)1],q)rlocfind([p(i)1],q)rlocfind([p(i)1],q)rlocfind([p(i)1],q)endholdoff其根軌跡圖如下圖所示在根軌跡圖上選擇四個(gè)開環(huán)增益值為，，，的點(diǎn)，并繪制其所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線和Bode圖。仿真程序3-2kp=[89711518.511.5];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([0.05*kp(i)kp(i)],[113+0.05*kp(i)30+kp(i)]);subplot(2,2,i);step(sys)gridonendholdoff對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示繪制Bode圖仿真程序3-3kp=[89711518.511.5];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([0.05*kp(i)kp(i)],conv([13],[110]));subplot(2,2,i);bode(sys)gridonendholdoffgtext('KP=897');gtext('KP=115');gtext('KP=18.5');gtext('KP=11.5');其Bode圖如下圖所示2）被控對(duì)象兩個(gè)極點(diǎn)之間,取=；繪制根軌跡圖仿真程序（見仿真程序3-1）其根軌跡圖如下圖所示在根軌跡圖上選擇四個(gè)開環(huán)增益值為，，，的點(diǎn)，并繪制其所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線和Bode圖。仿真程序3-4kp=[60.651.644.732];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([0.2*kp(i)kp(i)],[113+0.2*kp(i)30+kp(i)]);subplot(2,2,i);step(sys)gridonendholdoffgtext('KP=60.6');gtext('KP=51.6');gtext('KP=44.7');gtext('KP=32');對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示繪制Bode圖仿真程序3-5kp=[60.651.644.732];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([0.2*kp(i)kp(i)],conv([13],[110]));subplot(2,2,i);bode(sys)gridonendholdoffgtext('KP=60.6');gtext('KP=51.6');gtext('KP=44.7');gtext('KP=32');其Bode圖如下圖所示3）被控對(duì)象兩個(gè)極點(diǎn)的右側(cè)（不進(jìn)入右半平面），取=。繪制根軌跡圖仿真程序（見仿真程序3-1）其根軌跡圖如下圖所示在根軌跡圖上選擇四個(gè)開環(huán)增益值為，，，的點(diǎn)，并繪制其所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線和Bode圖。仿真程序3-6kp=[8.436.23.581.8];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([1*kp(i)kp(i)],[113+1*kp(i)30+kp(i)]);subplot(2,2,i);step(sys)gridonendholdoffgtext('KP=8.43');gtext('KP=6.2');gtext('KP=3.58');gtext('KP=1.8');對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示繪制Bode圖仿真程序3-7kp=[8.436.23.581.8];holdonfori=1:length(kp)sys=tf([1*kp(i)kp(i)],conv([13],[110]));subplot(2,2,i);bode(sys)gridonendholdoffgtext('KP=8.43');gtext('KP=6.2');gtext('KP=3.58');gtext('KP=1.8');其Bode圖如下圖所示實(shí)驗(yàn)分析與總結(jié)：PD控制時(shí)當(dāng)增加零點(diǎn)在控制極點(diǎn)的左邊時(shí)隨著kd的增加超調(diào)量增加態(tài)時(shí)間減小當(dāng)增加零點(diǎn)在控制極點(diǎn)的中間時(shí)隨著kd的增加調(diào)量不變。4、比例積分微分（PID）控制4.1.1實(shí)軸上，在被控對(duì)象的兩個(gè)極點(diǎn)的左側(cè)，即<-10；繪制根軌跡圖仿真程序4-1-1z2=[2052];holdonfori=1:length(z2)num=conv([115],[1z2(i)]);den=conv([130],[110]);figure(i);rlocus(num,den)rlocfind(num,den)rlocfind(num,den)rlocfind(num,den)rlocfind(num,den)endholdoff其根軌跡圖如下圖所示在根軌跡圖上選擇四個(gè)開環(huán)增益值為，，，的點(diǎn)，并繪制其所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線和Bode圖。仿真程序4-1-2kd=[11088.177.86.49];holdonfori=1:length(kd)sys=tf([kd(i)35*kd(i)20*15*kd(i)],[113+kd(i)35*kd(i)+3015*20*kd(i)]);subplot(2,2,i);step(sys)gridonendholdoff對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示繪制Bode圖仿真程序4-1-3kd=[11088.177.86.49];holdonfori=1:length(kd)sys=tf([kd(i)35*kp(i)15*20*kd(i)],conv([130],[110]));subplot(2,2,i);bode(sys)gridonendholdoff其Bode圖如下圖所示4.1.2實(shí)軸上，在被控對(duì)象的兩個(gè)極點(diǎn)的之間，即-10<<-3；繪制根軌跡圖仿真程序（見仿真程序4-1-1）其根軌跡圖如下圖所示在根軌跡圖上選擇四個(gè)開環(huán)增益值為，，，的點(diǎn)，并繪制其所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線和Bode圖。仿真程序4-1-4kd=[50.241.235.75.32];holdonfori=1:length(kd)sys=tf([kd(i)30*kd(i)5*15*kd(i)],[113+kd(i)20*kd(i)+3015*5*kd(i)]);subplot(2,2,i);step(sys)gridonendholdoff對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示繪制Bode圖仿真程序4-1-5kd=[50.241.235.75.32];holdonfori=1:length(kd)sys=tf([kd(i)20*kp(i)15*5*kd(i)],conv([130],[110]));subplot(2,2,i);bode(sys)gridonendholdoff其Bode圖如下圖所示4.1.3實(shí)軸上，在被控對(duì)象的兩個(gè)極點(diǎn)的右側(cè)（不進(jìn)入右半平面），即-3<<0。繪制根軌跡圖仿真程序（見仿真程序4-1-1）其根軌跡圖如下圖所示在根軌跡圖上選擇四個(gè)開環(huán)增益值為，，，的點(diǎn)，并繪制其所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線和Bode圖。仿真程序4-1-6kd=[43.235.633.23.29];holdonfori=1:length(kd)sys=tf([kd(i)17*kd(i)2*15*kd(i)],[113+kd(i)17*kd(i)+3015*2*kd(i)]);subplot(2,2,i);step(sys)gridonendholdoff對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示繪制Bode圖仿真程序4-1-7kd=[43.235.633.23.29];holdonfori=1:length(kd)sys=tf([kd(i)17*kp(i)15*2*kd(i)],conv([130],[110]));subplot(2,2,i);bode(sys)gridonendholdoff其Bode圖如下圖所示4.2.1復(fù)平面上，=-2+j1,=-2-j1,則/=4，/=5；繪制根軌跡圖仿真程序4-2-1num1=[145];den=conv([130],[110]);figure(1);rlocus(num1,den)num2=[11237];figure(2);rlocus(num2,den)num3=[140401];figure(3);rlocus(num3,den)其根軌跡圖如下圖所示在根軌跡圖上選擇三個(gè)開環(huán)增益值為，，的點(diǎn)，并繪制其所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線。仿真程序4-2-2kd=[27.8177.09];holdonfori=1:length(kd)num=[kd(i)4*kd(i)5*kd(i)];den=[113+kd(i)30+4*kd(i)5*kd(i)];sys=tf(num,den);subplot(2,2,i);step(sys)gridonendholdoff對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示4.2.1復(fù)平面上，=-6+j1,=-6-j1,則/=12，/=37；繪制根軌跡圖仿真程序（見仿真程序4-2-1）其根軌跡圖如下圖所示在根軌跡圖上選擇三個(gè)開環(huán)增益值為，，的點(diǎn)，并繪制其所對(duì)應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線。仿真程序4-2-3kd=[3.270.9520.468];holdonfori=1:length(kd)num=[kd(i)12*kd(i)37*kd(i)];den=[113+kd(i)30+12*kd(i)3