先进控制实验(直流伺服系统PID控制).doc

专 业 实 验 报 告
实验名称
先进控制理论实验（直流伺服系统）
实验时间
2015-6-18
姓名
XXX
学号
XXXXXXX
简略实验内容、装置简图、实验过程及结果等：
一、 实验目的
1. 了解直流伺服试验系统；
2. 掌握直流伺服实验系统的实验建模方法；
3. 掌握PID控制器的设计与调节方法。

二、 实验仪器设备
1. 安装有matlab的PC机一台；
2. 直流伺服系统控制实验平台一套。

三、 实验原理
1. 由于开环控制系统控制的精度低，不能抑制外界的干扰，对元件特性变化敏感，因此，通常需要采用反馈控制。直流伺服系统是通过光电编码器来实现反馈的；有了输入和反馈，当响应曲线不能满足期望指标时，就需要设计控制器。
2. 在设计控制器时，本实验是通过测定系统开环响应，辨识出开环系统的传递函数模型，然后利用SISOTOOL整定PID的参数，再对实际系统进行实验验证与控制器参数的调整。

四、 实验内容
1. 熟悉matlab仿真环境
(1) 掌握matlab的基本操作，如新建/保存/导入m文件及mdl文件，查看工作空间，了解matlab基本的指令等。
(2) 在simulink中新建mdl文件，熟悉基本的仿真模块的使用，对其参数进行相应的修改，搭建基本的仿真系统。
(3) 保存搭建好的系统并运行，双击Scope模块，得到仿真曲线，能对仿真的精度及时间进行相应修改，能将Scope输出的变量保存到工作空间中再绘制曲线图。注意文件名保存时必须以字母开头，并只含有字母/数字/下划线。
2. 直流伺服实验系统的实时控制和模型辨识
(1) 打开直流伺服系统控制平台电控箱上的电源按钮；将matlab菜单栏的当前路径指向MotorControlSystem.mdl所在文件夹，打开MotorControlSystem.mdl，如下图所示：

(2) 点击编译程序，成功后连接程序并运行，电机开始转动，运行5秒钟左右，停止程序。
(3) 双击打开示波器Scope，观察加入2000rpm的阶跃信号时直流伺服电机转速相应曲线，将曲线对应的数据导入matlab工作空间中，再保存到Excel表中，方便提取数据进行系统辨识。
(4) 参考文献“位置伺服系统中伺服电机的实验建模”或用系统辨识工具箱，辨识直流伺服电机的数学模型。
3. PID控制器的设计与调节方法
(1) 在matlab命令窗口中输入直流伺服电机的模型；
(2) 在matlab命令窗口中键入“SISOTOOL”，打开设计界面，在界面中使用“File|Import”命令导入被控对象模型；
(3) 通过在原点添加一个极点，左半平面添加一对零点，使补偿器C为PID的形式；拖拽SISO界面添加的零极点，同时观察单位阶跃输入时的闭环响应曲线，寻找合适的P、I、D参数。
(4) 通过补偿器表达式计算出用于控制直流伺服电机的P、I、D参数。
4. PID模块的封装
(1) 在之前所打开的 MotorControlSystem.mdl 文件中搭建 PID模块并对其进行封装，PID模块如下图：

(2) 将封装的PID模块连接加到被测系统前，并形成反馈回路，如下图所示：

(3) 双击打开PID模块，即可设置实验内容3所获得的 P、I、D参数。
5. PID控制效果检验
(1) 建立控制系统, 由于电机最高转速3000rpm，因此，阶跃信号不可太大或太小，以 1000~2000rpm为宜，本实验取 2000rpm。
(2) 依次编译、连接、运行程序，电机开始转动，任其运行10s左右，然后停止程序；
(3) 打开示波器，观察加入2000rpm的阶跃信号时直流伺服电机转速响应曲线，测量并记录超调量，峰值时间，调节时间，填入实验记录表中。
(4) 检验系统性能指标是否达到：、、稳态误差为0。若所测的性能指标达到了要求，则P、I、D参数则有效，否则回到实验内容2辨识数学模型和（或）实验内容3重新求取用于控制直流伺服电机的P、I、D参数，然后用实验内容5予以检验，直到达到性能指标为止。

五、 实验数据
1. 直流伺服系统辨识结果
(1) 利用文献得到开环系统的一阶辨识模型的传递函数为：，将此模型的阶跃响应曲线与实验的响应曲线相对比，有一定差距，因此考虑二阶辨识模型。
(2) 用matlab系统辨识工具箱得二阶辨识模型的传递函数为：。
接下来控制器的设计采用的是二阶的辨识模型。
2. PID参数整定
在SISO Design Tool界面中通过拖拽添加的零极点与增益大小，观察单位阶跃输入闭环响应曲线与开环系统的bode图，寻找到合适的P、I、D参数。
如图1为选取合适补偿器的参数，对应的SISO设计界面图以及单位阶跃响应分别如图2和图3所示。
因为PID的形式为：，所以，由图1补偿器的选取可确定PID的参数为：、、。

图1 选取合适补偿器的参数

图2 选取合适补偿器参数的SISO界面图 图3 加补偿器后的阶跃响应曲线

3. PID控制效果检验
将设计好的PID控制器参数设定到闭环系统中，阶跃信号取 2000rpm，依次编译、连接、运行程序。图4为加控制器与否的闭环响应曲线对比图，其中下面那根曲线为加控制器前的，上面那根为加PID控制器后的响应曲线；图5为辨识模型与实际系统的闭环响应曲线对比图，其中平滑的为辨识模型的闭环响应曲线，带毛刺的为实际系统的闭环响应曲线；实验结果记录表如下表1所示。

图4校正前后闭环响应曲线

图5 辨识模型与实际系统的闭环响应曲线

表1 实验记录表
项目
控制器参数
性能指标
未校正系统
无
；；；；
校正系统实测
；；
；；；；

六、 结果分析
对上述所得的实验数据以及实验结果进行了如下分析：
① 在辨识系统模型的过程中发现，该直流伺服系统开环阶跃响应已能满足给定的性能指标要求，但尽管如此，考虑到抗干扰能力抑制作用等问题，需采用闭环控制；系统采用闭环控制后，未校正前的阶跃响应存在稳态误差，不满足性能指标要求，因此需设计控制器。
② 采用二阶的辨识模型，利用“SISO Design Tool”整点PID参数时发现：增大，系统响应速度加快，对提高稳态精度有益，但超调量增大；积分I的作用能消除稳态误差，但会延长调整时间；微分D对改善动态性能和抑制超调有利，但如果过强，即校正装置的零点靠近原点时，不仅不能改善动态性能，反而易引入噪声干扰。在实验验证中同样可得出如此结论。
③ 由校正后的直流伺服系统实测数据可得，校正后的实际系统明显满足性能指标的要求，并且通过辨识模型与实际系统的闭环响应曲线的对比，说明了该辨识模型的有效性，能基本反映实际系统。

七、 实验小结
通过本次实验，我有如下体会：
① 在辨识系统模型的过程中，通过查看所给的参考文献，掌握了直流伺服系统的实验建模方法；
② 掌握了matlab系统辨识工具箱的使用，学到了利用命令“A=xlsread(‘shuju.xls’)”将存在Excel表中的辨识数据转存到matlab工作空间中；
③ 进一步加深了对控制理论的理解，熟悉了PID各参数对系统性能的影响，学到了PID参数整定的方法与技巧；
④ 在将Simulink中的实验数据导入到matlab工作空间并绘制图形的过程中，发现示波器输出数据为两列，第一列为时间，第二列为对应的转速，因此绘图语句为“plot(out(:,1),out(:,2))”，其中“out”为示波器输出值存于工作空间的变量名。
⑤ PID在直流伺服系统控制中，在精度、稳定性和抗干扰性等方面都有良好的性能表现，并且实现简单、维护方便，但它需要基于系统模型来设计，且需要不断调试，没有唯一解。
最后，感谢叶老师在整个实验过程中的耐心指导与讲解！

实验指导教师评语：

教师签名：
年 月 日
考查成绩(5级计分)

学分
0.5
（此表在授位前请放入硕士学位申请书中相应位置）