直流电机PI控制器设计与稳态性能分析1

课 程 设 计

题 目 学 院 专 业 班 级 姓 名 指导教师

直流电机PI控制器设计与稳态

性能分析

自动化学院 自动化 自动化0906班

方洪

肖纯

2012 年 1 月 2 日

课程设计任务书

学生姓名： 方洪 专业班级： 自动化0906班 指导教师： 肖纯 工作单位： 自动化学院

题 目: 直流电机PI控制器设计与稳态性能分析 初始条件：

一直流电机控制系统的方框图如图所示，其中Y为电机转速，va为电枢电压，

t

W为负载转矩。令电枢电压由PI控制律求取，PI表达式为：va (kpe kI edt)，其

中e=r-y。

Y

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书

撰写等具体要求）

（1） 写出以va和W为输入的直流电机系统微分方程；

（2） 试求kP和kI的值，使闭环系统的特征方程的根包括 20 20j； （3） 计算在单位阶跃参考输入、单位斜坡参考输入、单位阶跃扰动输入、单

位斜坡扰动输入时系统的稳态误差；

（4） 用Matlab验证你的上述答案，并给出系统响应曲线；

（5） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析的过

程，附Matlab源程序或Simulink仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。

时间安排：

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

摘要

为了实现系统的自动控制，现如今的系统越来越趋于闭环控制，然后扰动是一个现实系统无法避免的因素，扰动能够影响一个的反馈系统的正常运行，这时就必须要利用系统的闭环控制自行实现调节，使系统从新归为稳态。只有处理好扰动对系统的影响，我们的系统才能像们所希望的那样实现功能。本设计是一个直流电机控制系统，电机转速是系统的输出信号，负载转矩是系统的扰动信号，目的是为了探讨参考输入和扰动输入分别对系统的影响。

在本设计中，通过一些原理、方案，使系统能够达到一定的要求。并用MATLAB软件验证自己的计算，从而进行校正、检验。可见，不仅要能够掌握自动控制原理的一些基本知识，还要有熟练运用MATLAB软件的能力，因此在做设计之前要查找充分的资料，并在设计中也勤查资料，只有这样才能全面的、准确的完成课程设计，并能运用MATLAB解决问题。作为学生，不要仅满足于运用MATLAB完成自己的任务，自己要利用这样的好机会，全面的掌握MATLAB的运用，为以后熟练运用MATLAB打下很好的基础。总之，不能仅满足于老师布置的任务，自己要想在课设中有很好的提高，就要勤查资料，严格要求自己，充分利用图书馆、同学一些资源。

关键字：自动控制 扰动 闭环反馈 MATLAB

目录

1 设计意义及要求 ..................................................................................................... 1

1.1 设计意义 ....................................................... 1 1.2 设计要求 ....................................................... 1 2 设计原理 ................................................................................................................ 3

2.1 PI校正控制原理 ................................................ 3 2.2 叠加原理 ....................................................... 3 3 PI控制器的稳态分析 ............................................................................................ 5

3.1 写控制系统微分方程 ............................................. 5 3.2 求Kp和KI的值 ................................................. 5 3.3 计算稳态误差 ................................................... 6

3.3.1单位阶跃参考输入时系统稳态误差 .................................................. 6 3.3.2单位斜坡参考输入时系统稳态误差 ........................... 6 3.3.3单位阶跃扰动输入时系统稳态误差 ........................... 7 3.3.4单位斜坡扰动输入时系统稳态误差 ........................... 7 3.4 验证程序和图形 ................................................. 8

3.4.1单位阶跃参考输入时系统响应 ............................... 8 3.4.2单位阶斜坡参考输入时系统响应 ............................. 9 3.4.3单位阶跃扰动输入时系统响应 .............................. 10 3.4.4单位斜坡扰动输入时系统响应 .............................. 11

4 体会和总结 .......................................................................................................... 13 参考文献 .................................................................................................................. 14

武汉理工大学《自动控制原理》课程设计

直流电机PI控制器设计与稳态性能

分析

1 设计意义及要求

1.1 设计意义

本设计是一个直流电机控制系统，电机转速是系统的输出信号，负载转矩是系统的扰动信号，目的是为了探讨参考输入和扰动输入分别对系统的影响，当今社会自动控制技术发展很快，而通过一学期对自动控制原理的学习，这一次的课程设计即可以很好的检验学习成果，也可以把理论知识运用到实际，为以后工作学习打下基础。

1.2 设计要求

一直流电机控制系统的方框图如图所示，其中Y为电机转速，va为电枢电压，W为负载转矩。令电枢电压由PI控制定律求取，PI表达式为va (kPe kI edt，)：

0t

其中e=r-y

Y

图 1 直流电机控制系统的方框图

要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1

武汉理工大学《自动控制原理》课程设计

（1） 写出以va和W为输入的直流电机系统微分方程；

（2） 试求kP和kI的值，使闭环系统的特征方程的根包括 20 20j； （3） 计算在单位阶跃参考输入、单位斜坡参考输入、单位阶跃扰动输入、单

位斜坡扰动输入时系统的稳态误差；

（4） 用Matlab验证上述答案，并给出系统响应曲线；

（5） 对上述任务写出完整的课程设计说明书，说明书中必须写清楚分析的过

程，附Matlab源程序或Simulink仿真模型，说明书的格式按照教务处标准书写。

2

武汉理工大学《自动控制原理》课程设计

2 设计原理

2.1 PI校正控制原理

比例—积分控制规律的控制器，称PI控制器（如图2所示），输出信号m(t)同 时成比例的反应输入信号e(t)及其积分，即

m(t) Kpe(t)

Kpt

e(t)dt Ti 0

式中Kp为可调比例系数；Ti为可调积分时间常数。

图 2 PI控制器

在串联校正时，PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于S左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，可以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能；而增加的负实数 …… 此处隐藏：3208字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……