实验5--球杆系统的数字PID控制实验

学生实验报告开课学院及实验室：学院机电年级、专业、班姓名学号实验课程名称计算机控制技术成绩实验项目名称实验5球杆系统的数字PID控制实验指导教师一、实验目的1．熟悉Matlab\simulink软件；2．通过试凑法确定球杆系统的PID参数；3．在球杆系统上验证PID参数的控制效果。二、使用仪器、材料1．球杆系统装置。2．装有matlab2012b的计算机。三、实验步骤1．现场实验前先用Matlab\simulink软件进行仿真。给出球杆装置的理想传递函数(1)用Simulink设计出该系统的模型。输入信号为阶跃信号，控制器选择PID。(2)用试凑法确定出合适的PID参数。(3)比较设置不同参数时系统的响应特性。2．进行现场实验。测试好现场装置后，试着将仿真后得出的几个PID参数输入到控制系统中，观察球杆装置的运行情况。在现场调整参数使系统取得良好的控制效果。(1）打开球杆系统电控箱上的电源按钮，在MATLAB/CurrentFolder中打开文件系统自带程序“PID_Control_Modify.slx”，会弹出如图所示的实时控制界面(2）双击“PIDController”模块，设置Kp、Ki、Kd的参数，参数为仿真过程得出的参数。双击“Step”模块，设置阶跃信号参数：steptime=0，initialvalue=0，finalvalue=0.25。(3)点击编译程序，待编译成功后，点击连接程序，点击运行程序，观察球杆和小球的运动现象。待小球静止后，点击停止程序，打开示波器scope观察响应曲线的超调量，调节时间。若能达到理想的控制效果，说明所设置的PID参数合理。否则，根据波形呈现的超调量，调节时间，以及最终稳定后呈现的静差，调整PID参数，继续调试系统，最终达到理想的控制效果。四、实验过程原始记录（程序、数据、图表、计算等）1．Simulink仿真程序框图如下：系统输入为阶跃信号，阶跃时间为0，初始值为0，终值定为1,采样时间为0.1。用试凑法设置的PID参数如下：(1)首先设置比例系数(P):运行仿真程序，得到的输出响应波形如下图所示：观察波形可知，静态误差太大，故加入积分环节消除静态误差。（2）根据比例环节设置积分环节参数（I）：运行之后的波形如下图所示：可见加入积分环节之后，虽然减小了静态误差，可同时也降低了系统反应时间，甚至出现振荡现象，故需加入微分环节调节，使系统稳定。（3）根据比例积分环节加入微分环节（D）：运行之后的波形如下图所示：从波形图可知，超调量减小，调节时间减小，振荡消失，系统稳定。2．将以上通过试凑法整定的PID参数（4,0.2，8）输入到现场球杆系统的PID控制器中，运行系统，观察系统的输出波形：由于设备误差，系统输出波形一开始无法稳定，小球位置不能准确停在球杆上，但从后半段波形可知，系统在稳定之前存在很大误差，需要调节积分参数，从而减小误差，将参数I调整为0.4，再次运行：可以看到，输出波形比之前更加稳定，误差减小，从而证明积分参数有助于减小误差，但系统还存在振荡现象，调节微分环节消除振荡。继续调整参数，比较控制效果：设定Kp=1.5，Ki=0.42，Kd=1.65，运行和观察：从波形图可知，调节微分环节有助于减小振荡和超调量，此时系统稳定性较好。五、实验结果及总结理论数据输入到实际球杆系统中时，波形效果比理论效果相比差很多，可见仿真只是理论参考而已，需与实际结合才能得出最佳参数；而且实验仪器也会存在很多未知误差，从波形图可知，系统一开始会出现严重振荡，之后逐渐趋于稳定，可能是电机误差，也可能是传感器误差，所以都需要现场调试才能设法消除这些误差。通过试凑法得出的参数并非适用于实际系统，仍需通过比例积分微分三者之间的协调关系来调整系统输出波形，主要是比例环节加快系统响应时间，积分环节减小误差，微分环节减小振荡和超调量，需要根据输出波形不断调整三者参数。