电力拖动直流电机仿真实验(实验4)
实验四 2型控制系统的设计及参数调节方法
一、实验目的
1. 了解为什么要采用2型系统的原因 2. 了解2型系统中两个积分器各自的主要作用 3. 揣摩2型系统如何采用试凑法来设计参数
二、实验原理
在控制系统中,有时被控对象本身就是1型系统(即系统本身的传递函数中就含有一个积分环节),这类系统跟踪阶跃信号从理论上而言就是无差的,所以其控制器只需要一个P(比例)环节即可。但系统有可能受到扰动,如果扰动作用点在系统环节之前(即在积分环节之前),则该扰动是一个单独的P控制器所无法抑制的,因此需要采用PI调节器。因为PI调节器含有一个积分环节,系统本身又含有一个积分环节,因此系统就变成了2型系统。本实验通过MATLAB仿真,分析采用2型系统的原因,并对其参数设计方法进行分析。
三、实验步骤
1.仅从跟踪给定信号的角度来设计调节器
图1 1型系统的仿真图
图1中系统环节(System)的传递函数为
11
,其中本身就含有一个积分环节,
ss(s 3)
仅从跟踪阶跃信号无稳态误差的角度而言,只需要PID调节器中P调节器即可。因此首先将I、D调节器的系数均设置为0,将模拟干扰信号的Step1模块的终值(Final value)也设置为0,仿真时间设置为20s。
调节Kp的数值,使得系统的输出曲线没有超调量或仅有微小的超调,调节时间尽可能的短。通过输出曲线也可以看到,系统的确没有稳态误差。
2.模拟干扰作用时系统的输出响应
将模拟干扰信号的模块Step1的Step Time设置为50s(模拟干扰在第50s的时候施加于系统),Final value设置为0.1,仿真时间设置为100s,将Kp的参数设置为0.8。点击仿真按钮,观察系统从第50s之后的输出曲线,看看系统在受到的干扰的时候,输出信号还能否回到原来的稳态值1,为什么?
3.将PID环节的I调节器加入控制系统中,构建2型系统
将I调节器的参数先设置在一个比较小的值0.1,如图2所示。点击仿真按钮,观察输出曲线和I环节的曲线。
图3 启用I调节器时的系统仿真图
回答四个问题(写在实验报告上):
1)此时系统的输出曲线在受到干扰后(50s以后的曲线)能不能重新恢复到原来的稳态值1?为什么?
2)通过对比50s之后的系统输出和积分器输出达到稳态的时间,说明恢复时间的快慢(即受到干扰后输出重回稳态值的时间)主要受什么环节的影响?
3)观察50s之前的曲线(此时扰动未出现,系统的输出在跟踪给定信号),和没有引入积分器时相比,曲线发生了什么变化?为什么输出曲线的超调量增大了?
4)观察50s之前的系统输出曲线和积分器输出曲线达到稳态的时间,解释为什么非要I调节器的输出稳定在0后(40s-50s时段),系统的输出才能稳定在稳态值1。
4. 系统的跟踪性能和抗干扰性能的对比分析
将图3中的积分器的参数按照0.01的间隔逐渐减小(0.09,0.08…0.01),观察输出曲线,分析跟踪性能(50s之前输出信号的超调量和调节时间)与抗干扰性能(50s后曲线重回稳态值1的速度及振荡情况)的变化情况。特别注意观察:当积分器的参数很小时(例如0.01),无论是跟踪段(50s前)或抗扰段(50s后)都有严重的爬坡现象,看看积分器的输出,想想为什么?
5.自行调节PID的参数,使得系统同时具有良好的跟踪性能和抗干扰性能,要不要加入微分(D)环节请自行决定。
四.思考题
结合你本次实验的体会,针对教材上讨论的双闭环系统,想想在ASR调节器(外环的积分器,相当于本次实验中的PID的位置)中加入限幅环节,并对积分器的输出也进行限幅,从控制的角度而言是为什么?
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