单闭环直流调速系统PID控制器参数设计仿真

实验名称：单闭环直流调速系统PID 控制器参数设计仿真 1.实验原理
1)单闭环直流调速系统
典型单闭环直流调速系统框图
直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。

为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。

对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。

在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。

2)PID 控制
在模拟系统中，PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

1、PID 调节器的微分方程
⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡++
=⎰
t
D
I P dt t de T dt t e T t e K t u 0
)()(1
)()(
式中 )()()(t c t r t e -= 2、PID 调节器的传输函数
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡++==
S T S T K S E S U S D D I P 11)()()(
PID 调节器各校正环节的作用
1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。

2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱
取决于积分时间常数TI ，TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。

3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

4）建立单闭环直流调速系统模型
直流电动机：额定电流V Un 220=，额定电流A I dn 55=，额定转速
min /1000r n N =，电动机电势系数r V C e m in/192.0•=，假设晶闸管整流装置输
出电流可逆，装置放大系数44=s k ，滞后时间常数s T s 00167.0=，电枢回路总电阻Ω=1.0R ，电枢回路电磁时间常数s T l 00167.0=，电力拖动系统机电时间常数
s T
m
075.0=，转速反馈系数r V min/01.0⋅=α，对应额定是给定电压V U n 10=*。

在输入与输出端加入转速转化环节，以达到系统要求。

仿真框图：
3)PID 参数整定
理论上PID 参数整定有许多方法，如扩充临界比例度法，归一参数整定法，优选法等等。

这里采用经验法通过反复试凑得到需要的效果。

这种方法不依赖具体的数学模型但同时也有巨大的盲目性。

3.实验方案
1)单闭环直流调速系统仿真图
2）仿真步骤
A. 建仿真模型并设置相应参数。

B.将输入设置为单位阶跃。

C.反复调节相应PI参数，已达到所需性能。

3）相应仿真设置
（1）传递函数设置
（2）阶跃输入设置
(3)Kp 调节
(4)KI = 1/t 调节
4.实验结果
1)5.0=K p 3=k i 2)5.0=K p 5=k i
3)5.0=K p 10=k i
4)8.0=K p 10=k i
5)25.0=K p 3=k i
6)25.0=K p 10=k i
7)2=K p 10=k i
5.实验结果分析
通过对电机仿真及不断地试凑，发现在积分环节不变的情况下，比例环节的增加会提高系统快速性，减少调节时间。

但与此同时系统超调量显著增大，从仿真图形来看，尽管都未引起震荡，但超调量可以从没有超调到最大20%变化，比例参数的调节对系统影响很大。

在比例环节不变的情况下，调节积分参数可以提
高系统稳定性，减少超调，但对系统快速性有较大影响。

调节时，也发现单独调整积分参数，对系统影响并不与参数调整趋势有很强关系。

说明系统性能的校正，是个综合的过程，并不是仅仅改变一个参数那么简单。

由最终仿真图像分析，1)5.0=K p 3=k i 2)5.0=K p 5=k i 5)25.0=K p 3=k i 三种参数满足系统要求。