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《计算机控制仿真课程设计》课程设计报告2013年7月10日目录引言21计算机控制仿真简介22 小组分工2一、数字PID闭环直流电机调速控制系统的设计和仿真实现21.1 基本理论知识21.2 设计要求21.3 总体方案设计21.4详细设计21.5调试Simulink仿真21.6设计总结2二、最少拍无纹波计算机控制系统设计及仿真实现22.1 基本理论知识22.2 设计要求22.3设计过程22.4设计总结2三、大林算法计算机控制系统设计及仿真实现23.1 设计要求23.2 总体方案设计23.3 基本理论知识23.4 大林算法具体设计23.5 Simulink仿真部分2四、二阶弹簧—阻尼系统的PID控制器设计及其参数整定24.1设计要求24.2 总体方案设计24.3基本理论知识24.4 详细设计24.5设计总结2五、二阶系统串联校正装置的设计与分析25.1 设计要求25.2 基本理论知识25.3 详细设计25.4 设计总结2六、单级倒立摆的最优控制器设计26.1 设计要求26.2 总体方案设计26.3 基本理论知识26.4 详细设计26.5 调试Simulink仿真26.6 设计总结2七、参考文献2引言1计算机控制仿真简介计算机控制仿真技术是近几十年发展起来的一种综合性实验技术，它建立在系统科学、系统建模、控制理论、计算机技术及计算方法等学科的基础上，对系统设计、研究和决策提供了一种先进而有效的手段，并已被广泛应用于工程及非工程领域，取得了显著的成果。MATLAB是一种计算科学软件，利用它可以解决自动控制中遇到的问题。MATLAB的自动控制辅助设计功能，包括建立控制系统的数学模型，Simulink在系统仿真中的应用等。主要有数据可视化、创建用户图形界面和简单数据统计处理等，数据或图形的可视化是进行数据处理或图形图像处理的第一步，它不仅仅是二维，还可以是三维空间。2 小组分工一、数字PID闭环直流电机调速控制系统的设计和仿真实现1.1 基本理论知识1.1.1 数字PID的控制算法位置式PID控制算法：图1-1 位置式PID控制算法结构框图增量式PID控制算法图1-2 增量式PID控制算法结构框图1.1.2 PID调节器参数对控制性能的影响1、不同Kp对控制性能的影响(1) 对动态性能的影响比例控制参数Kp加大，使系统的动作灵敏，速度加快；Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长；当Kp太大时，系统会趋于不稳定；若Kp太小，又会使系统的动作缓慢。(2) 对稳态性能的影响加大比例控制系数Kp，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差提高控制精度，却不能完全消除稳态误差。2、积分控制参数TI对控制性能的影响(1) 对动态性能的影响积分控制参数TI通常使系统的稳定性下降。TI太小系统将不稳定，TI偏小，振荡次数较多，TI太大，对系统性能的影响减少。(2) 对稳态性能的影响积分控制参数TI能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。但TI太大时，积分作用呆太弱，以至不能减少稳态误差。3、微分控制参数TD对控制性能的影响微分控制可以改善动态特性，如超调量减少，调节时间缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。当TD偏大时，超调量较大，当TD偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。1.1.3 采样时间T的选择（1）T越小，随动性和抗干扰性能越好。（2）必须满足采样定理的要求，对于随动系统，为系统的开环截止频率。若单路采样时间为，则采样周期，N为测量控制回路数。（3）选择采样周期T太小，将使微分积分作用不明显。（4）快速系统的T应取小，反之，T可取大些。（5）执行机构动作惯性大时，T应取大些。1.2 设计要求已知某晶闸管直流单闭环调速系统的转速控制器选用 PID控制器，结构如图1-3所示。图1-3 某晶闸管直流单闭环调速系统结构框图要求：1、运用 MATLAB/Simulink 软件对控制系统进行建模并对模块进行参数设置；2、封装PID模块的控制图；3、使用期望特性法来确定 Kp、 Ti、Td以及采样周期 T，期望系统对应的闭环特征根为：-300，-300，-30+j30和-30-j30，观察其单位阶跃响应曲线，得出仿真结果并进行仿真分析；4、记录在改变PID控制某一控制参数（比例系数或积分系数或微分系数）时，该系统对应的阶跃响应曲线的变化，并观察阐述发生这种变化的规律；5、总结P、I、D控制参数的改变对系统控制效果的影响。1.3 总体方案设计首先，运用MATLAB/Simulink软件对控制系统进行建模并对模块进行参数设置，然后使用期望特性法来确定Kp、Ti、Td以及采样周期T，得到期望系统对应的闭环特征根，最后通过改变PID的某一个参数，观察此参数变化对系统的影响。1.4详细设计1.4.1 模拟PID控制器的设计1.设计框图：图1-4 S