课程设计报告
题目PID控制器应用
课程名称控制系统仿真院部名称龙蟠学院
专业自动化
班级M10自动化
学生姓名
学号
课程设计地点 C208
课程设计学时一周
指导教师应明峰
金陵科技学院教务处制成绩
一、课程设计应达到的目的
应用所学的自动控制基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行控制系统的初步设计。
应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。
二、课程设计题目及要求
1．单回路控制系统的设计及仿真。
2．串级控制系统的设计及仿真。
3．反馈前馈控制系统的设计及仿真。
4．采用Smith 补偿器克服纯滞后的控制系统的设计及仿真。
三、课程设计的内容与步骤
(1)．单回路控制系统的设计及仿真。
（a）已知被控对象传函W(s) = 1 / (s2 +20s + 1)。
（b）画出单回路控制系统的方框图。
（c）用MatLab的Simulink画出该系统。
（d）选PID调节器的参数使系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线。
注明所用PID调节器公式。
PID调节器公式Wc（s）=50(5s+1)/(3s+1) 给定值为单位阶跃响应幅值为3。
有积分作用单回路控制系统PID控制器取参数分别为：50 2 5
有积分作用单回路控制系统PID控制器取参数分别为：50 0 5
大比例作用单回路控制系统PID控制器取参数分别为：50 0 0
（e）修改调节器的参数，观察系统的稳定性或单位阶约响应曲线，理解控制器参数对系统的稳定性及控制性能的影响？
答：由上图分别可以看出无积分作用和大比例积分作用下的系数响应曲线，这两个PID调节的响应曲线均不如前面的理想。
增大比例系数将加快系统的响应，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏；
增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长，加入微分环节，有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加。
(2)．串级控制系统的设计及仿真。
（a）已知主被控对象传函W
01(s) = 1 / (100s + 1)，副被控对象传函W
02
(s) =
1 / (10s + 1)，副环干扰通道传函W
d
(s) = 1/(s2 +20s + 1)。
（b）画出串级控制系统方框图及相同控制对象下的单回路控制系统的方框图。
（c）用MatLab的Simulink画出上述两系统。
串级控制系统
单回路控制系统
（d）选PID调节器的参数使串级控制系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线,PID调节器传函：主：Wc（s）=100（40s+1）/ (s+1) 副：Wc(s)=100/（20s+1）
串级控制系统系统PID控制器取参数分别为：100 1 40；2 0 0
单回路控制系统PID控制器取参数分别为：100 1 40
（e）比较单回路控制系统及串级控制系统在相同的副扰动下的单位阶约响应曲线，并说明原因？
答：比较两控制系统单位阶跃响应可得到串级控制系统的效果比较好。
原因：串级控制系统的特点是两个调节器串联，主调节器的输出作为副调节器的给定，适用于时间常数及纯滞后较大的对象。
串级控制系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，具有较强的抗干扰能力，具有一定的自适应能力，能够准确及时地对系统的扰动进行校正，防止扰动对系统的影响。
(3)．反馈前馈控制系统的设计及仿真。
（a）已知被控对象传函W
0(s) = 1 / (s2 +s + 1)，干扰通道传函W
f
(s) = 1 / (s2
+2s + 5)，前馈随机干扰信号幅值 = 50，频率 = 10。
（b）确定前馈控制器的传函W
m
(s)，并画出反馈前馈控制系统的系统方框图及相应的单回路控制系统的方框图。
（c）用MatLab的Simulink画出上述两系统。
反馈前馈控制系统
单回路控制系统
（d）选PID调节器的参数使系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线。
PID调节器传函：Wc(s)=30(10s+1) / (5s+1)
设干扰源幅值为50，频率为10 Hz
反馈前馈控制系统PID控制器取参数分别为：30 5 10
单回路控制系统PID控制器取参数分别为：30 5 10
（e）比较单回路控制系统及反馈前馈控制系统在相同的单位阶约扰动下的响应曲线，并说明原因？
答：单回路与前馈反馈系统的响应差别不是很大，由上图可知不加前馈时，系统受到干扰较严重，加上前馈之后，可使系统不受干扰的影响。
前馈反馈复合控制系统既发挥了前馈作用，可及时克服主要扰动对被控量影响，又可保持了反馈控制能克服多个扰动的影响。
(4)．采用Smith 补偿器克服纯滞后的控制系统的设计及仿真。
(a) 已知被控对象传函
W
0(s) = e
- 4 s
/ (20s + 1)。
(b) 画出采用Smith 补偿器的反馈控制系统的系统方框图及相应的单回路控制系统的方框图。
(c) 用MatLab的Simulink画出上述两系统。
采用Smith补偿器的反馈控制系统
单回路控制系统
(d) 选PID调节器的参数使采用Smith 补偿器的反馈控制系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线。
PID调节器传函：Wc(s)=40 /（2s+1）
采用Smith补偿器的反馈控制系统scope的图像
PID控制器取参数分别为：40 2 0
采用Smith补偿器的反馈控制系统scope1的图像
PID控制器取参数分别为：40 2 0
单回路控制系统
PID控制器取参数分别为：40 2 0
由上图可知，采用smith补偿后，可以完全消除滞后对系统的影响，而单回路控制系统不能消除滞后，使系统输出产生失真。
Ws(s)=Wo(s)(1-e-τ
0s)=(1-e-
τ
0s)/(20s+1)
引入smith预估补偿器,使调节器锁控制的等效对象变为：
Wo(s)e-τ0s+Wo(s)(1-e-τ
0s)=(1-e-
τ
0s)/(20s+1)+e-
τ
0s/(20s+1)=1/(20s+1)=Wo(s)
从而消去纯滞后部分对系统稳定的不利影响。
(e) 比较单回路控制系统及采用Smith 补偿器的反馈控制系统在相同的单位阶跃扰动下的响应曲线，并说明原因？
答：在没有补偿的时候，其单位阶跃响应曲线在扰动下发生的位置相对靠后，但是增加了滞后补偿环节，它的图像发生的靠前了，这就是增加了补偿的原因。
由上图可知，采用smith补偿后，可以完全消除滞后对系统的影响，而单回路控制系统不能消除滞后，使系统输出产生失真。
四、问题和解决方法
在本课程设计中遇到不少的问题，主要体现在对PID调节的理解薄弱，导致后面的对PID参数的调节有一定的盲目性，不了解PID在系统的性能调控中起到的作用，在以上的过程中，主要体现在响应曲线的平滑性不怎么好，超调时间过长，影响对结果的分析，后通过对PID调节进行资料的查询，翻阅相关的书籍，加深理解，使得在响应曲线的调节过程中调节变得有目的性，最终使调节出来的响应曲线符合课程设计的要求。
五、心得体会
在课程设计的过程中，通过对所遇到的问题进行分析和思考，加深了对课本知识的理解，同时也通过课程设计，使我的相应的知识水平和对MATLAB的使用也获得了一定的提高。
在对PID参数的调节过程中，我总结出了PID调节的几个特点：增大比例系数一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏；增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长；增大微分时间有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。
同时也通过课程设计，我的相应的知识水平也获得了一定的提高。
六．主要参考文献
1．陈怀琛.MATLAB及在电子信息课程中的应用.北京：电子工业出版社，2009 2．赵广元.MATLAB与控制系统仿真实践.北京：北京航空航天大学出版社，2009。