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专 业 实 验 报 告
实验名称 直流伺服实验时间 2015-6-18 姓名 学号 简略实验内容、装置简图、实验过程及结果等:
实验目的
了解直流伺服试验系统;
掌握直流伺服实验系统的实验建模方法;
掌握PID控制器的设计与调节方法。
实验仪器设备
安装有matlab的PC机一台;
直流伺服系统控制实验平台一套。
实验原理
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。
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。
实验内容
熟悉matlab仿真环境
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。
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。
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。
直流伺服实验系统的实时控制和模型辨识
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:
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。
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。
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。
PID控制器的设计与调节方法
在matlab命令窗口中输入直流伺服电机的模型;
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;
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。
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。
PID模块的封装
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:
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:
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。
PID控制效果检验
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。
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;
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。
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。
实验数据
直流伺服系统辨识结果
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。
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。
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
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
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