实验5--球杆系统的数字PID控制实验
数字pid控制算法的研究实验报告
数字pid控制算法的研究实验报告数字PID控制算法是一种常用的控制系统算法,能够通过对比例、积分和微分三个参数进行调整来控制系统的稳定性和精度。
本文将对数字PID控制算法的研究实验进行详细的描述。
实验设计本次实验采用一个控制器,其输出为闭环信号,被用于控制一个加速变量,以实现一个平稳的控制过程。
实验的具体步骤如下:1. 确定控制器的输出参数根据控制系统的实际需求,确定控制器的比例参数、积分参数和微分参数。
2. 建立实验模型将实验系统建模为阻尼比为1,反馈系数为0.8的系统。
其中,加速变量的幅值为0.1,根据实验结果,调整PID参数后可以使系统达到稳定的输出状态。
3. 进行实验将实验模型连接到控制器上,通过输入信号控制加速变量的幅值,实现控制系统的平稳输出。
通过仿真软件对实验过程进行模拟,记录实验的增益、响应时间和精度等指标。
4. 分析实验结果根据实验结果,对PID控制器的输出参数进行调整,以获得更好的控制效果。
同时,对不同参数组合的增益、响应时间和精度等指标进行分析,探究不同参数组合对控制效果的影响规律。
实验结果通过本次实验,得到以下实验结果:- 比例参数对控制效果的影响规律为:当比例参数增大时,控制增益增大,但响应时间变慢;当比例参数减小时,控制增益减小,但响应时间变快。
- 积分参数对控制效果的影响规律为:当积分参数增大时,控制增益减小,但控制稳定性好;当积分参数减小时,控制增益增大,但控制稳定性差。
- 微分参数对控制效果的影响规律为:当微分参数增大时,控制增益增大,但控制稳定性好;当微分参数减小时,控制增益减小,但控制稳定性差。
结论通过本次实验,可知数字PID控制算法在平稳控制过程中具有较好的效果,不同的参数组合可以影响控制效果的稳定性和精度,可以根据实际应用的需要调整PID控制器的参数,以实现更好的控制效果。
控制工程基础仿真实验报告
本科生课程论文控制工程基础仿真实验报告实验一一阶系统的单位阶跃响应一、实验目的1、学会使用ATLABM编程绘制控制系统的单位阶跃响应曲线；2、掌握准确读取动态特征指标的方法；3、研究时间常数T对系统性能的影响；4、掌握一阶系统11Ts+时间响应分析的一般方法；5、通过仿真实验，直观了解各典型环节的时间响应和频率响应，巩固课程中所学的基本概念和基本原理；二、实验要求1、输入3个不同的时间常数T，观察一阶系统11Ts+的单位阶跃响应曲线的变化，绘制响应曲线图，并分析时间常数T对系统性能的影响。
2、若通过实验已测得一阶系统11Ts+的单位阶跃响应曲线，试说明如何通过该曲线确定系统的时间常数T。
三、实验内容（一）实验设备计算机；WINDOWS操作系统，并安装Matlab语言编程环境。
（二）实验原理通过对各种典型环节的仿真实验，可以直观的看到各种环节的时间响应和频率响应的图像。
通过对所得图像的分析可以得出各种参数如何影响系统的性能。
四、实验过程在Matlab平台对一阶系统11Ts+的单位阶跃响应进行仿真。
（1）输入3个不同的时间常数T，观察一阶系统单位阶跃响应曲线的变化，绘制响应曲线图，并分析时间常数T对系统性能的影响。
在Matlab中进行操作，其代码如下：1.num=1;2.den=[11];3.g=tf(num,den)4.5.g =6.7.18. -----9. s + 110.11.Continuous-time transfer function.12.13.>> step(g)14.hold on15.>> step(tf(1,[21]))16.>> step(tf(1,[41]))17.>> legend('T=1','T=2','T=4');（2）对于已测得的一阶系统的单位阶跃响应曲线，分析通过该曲线确定系统的时间常数T的方法。
基于球杆的控制系统分 析与设计实验教程
实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 小 结
第三章
球杆控制系统分析设计提高 ................................. 32
实验一 实验二 实验三 实验四 实验五
1
前
言
自动控制理论是自动控制及相关专业的必修专业基础课， 自动控制理论实验是学习和掌 握控制系统分析和设计方法最有效的途径之一。 机电控制系统分析设计是机电类相关专业学生的培养目标， 如何从机电系统总体设计的 角度出发，以性能指标为依据，深入分析机械结构、电气部分、控制算法对机电系统性能指 标影响的情况，是机电类控制系统分析设计的主要内容之一。 控制系统分析的标准是仿真与实际测试的性能指标满足误差范围。 控制系统设计的标准是通过分析机械结构、 电气部分的特性， 选择控制算法达到系统最 好的性能指标。并为改进机械、电气、控制算法提出依据。 球杆系统是典型的单输入单输出的机电类控制系统， 通过改变平衡杆与水平方向的夹角， 而控制平衡杆上的滚动的小球位置。球杆系统实验现象直观、明显，不仅可以表现出很多控 制系统的基本概念如：跟随特性，鲁棒性等，而且很吸引学生注意力，是不可多得的实验平 台。 本实验教程根据球杆系统的数学模型， 以性能指标为依据， 通过比较控制系统仿真与实 现的现象不同，分析影响球杆控制系统性能指标的机械、电气因素，并改进以提高系统性能 指标。使学生了解和掌握机电控制系统分析、设计的基本原理和基本方法。 通过若干次的反复实践， 学生可以深入理解机电类控制系统分析、 设计的基本过程和概 念。 本教程不仅是一个关于自动控制的实验教程， 还是一个机电系统设计的实验教程， 主要 包含以下内容： 第一章，介绍机电控制系统的几个基本概念理解，在长期的教学中，控制系统概念主要 是不理解因而不会用。这几个概念会在后面的设计中用到。 第二章，球杆控制系统分析设计入门，从推导简化模型入手，设计控制器。通过分析实 际测试的性能指标和仿真的不同，引申出影响系统性能的因素。 第三章，通过深入分析影响球杆控制系统性能的因素，加入到仿真模型中，在和实际控 制系统模型比较后，设计出性能优异的控制系统。 本实验教程实验项目包括：系统建模和稳定性分析、PID 校正、根轨迹校正、频域法校 正、状态反馈共五个实验。 其中综合性实验 1 个，为 PID 校正；设计性实验 3 个，为根轨迹校正、频域法校正、 状态反馈；验证性实验 1 个，为系统建模和稳定性分析。综合性、设计性试验占全部实验的 比例为 80%。 经典控制理论实验为 4 个，系统建模和稳定性分析、PID 校正、根轨迹校正、频域法校 正。综合型设计性实验比例为 75%.现代控制理论实验为 1 个，状态反馈, 综合型设计性实 验比例为 100%。 本实验教材适用于机电类控制专业的本科学习自动控制理论应用和机电控制系统分析 设计课程，以及非机电类控制专业的研究生学习自动控制理论之用。
PID校正
2
闭环系统系统震荡，必须设计控制器使系统稳定。 2.PID校正法仿真 最终控制程序如下图所示。
设置Kp=1.5，Ki=0.3，Kd=1.5 最终得到的系统仿真曲线：
从图上读得超调量20% ，调节时间3.15秒，满足系统要求。 3、 PID实时控制 实时控制界面
3
设置Kp=1.5，Ki=0.3，Kd=1.5 位移响应曲线
4
2、 为什么系统仿真的结果和实时控制的结果相差很大？为什么当PID参数取某 些值的时候（如Kp=10，Ki=0，Kd=10），仿真结果很好，但实时控制时系统 却震荡不稳定？ 答： 系统仿真建立的模型是对实时系统的简化， 忽略了许多线性或非线性的因素， 但这些因素对结果是有影响的，这些因素包括：运动副的摩擦，测量装置的 误差，电机控制系统误差，信号采集系统的延时等。 当PID参数取某些值的时候，对于所建模型而言，校正效果是好的，但由于模型 是一种简化， 模型与实际系统之间还存在偏差，这些值对于实际系统还不是 有效参数，所以实时系统会震荡不稳定。 3、为什么工业中PID控制能有广泛的应用？ 答：首先，PID 应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其 简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统， 这样 PID 就可控制 了。其次，PID 参数较易整定。也就是，PID 参数 Kp，Ki 和 Kd 可以根据过 程的动态特性及时整定。 如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化 引起系统动态特性变化，PID 参数就可以重新整定。 第三，PID 控制器在实践中也不断的得到改进。
1.853 ������ 2
，设计PID校正环节，使系统的
三、实验设备
1. 球杆系统； 2.计算机，Matlab平台。
四、实验原理
1.PID控制器各校正环节的作用： A.比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立 即产生控制作用，以减少偏差。 B.积分环节：主要用于消除稳态误差，提高系统的型别。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。 C.微分环节：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，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。 2.凑试法整定PID参数 已知未校正的球杆系统结构图、闭环仿真曲线如下图示：
实验五--PID控制实验
倒立摆PID控制实验1．实验目的：学习实验系统建模；PID控制作用机理及实现2．实验步骤（一）倒立摆数控平台PID位置控制实验部分1．实验原理图1 实验平台系统组成图2 实验方案此部分实验平台系统是由X平台机械本体、交流伺服电机、智能控制器和上位机（PC 机）组成。
我们以“工作台的移动位置”为控制对象，在位置环闭环控制回路中，为了取得良好的跟踪效果，通过调整该环PID参数，实现系统良好的位置响应特性。
2．实验步骤（1）确认系统连线正确，打开电控箱电源；（2）将XTable Experiment 文件夹拷贝到Matlab的work文件夹下，打开matlab，将当前路径改为“。
\Program Files\MA TLAB\work\XTable Experiment”；（3）在命令窗口输入TimeRe，按回车键确定，打开时间响应实验的的主界面；（4）在界面中的“输入类型”中，点击下拉菜单，显示“无”、“Go2Center”、“Control”、“Step”、“Impulse”等选项。
其中“Go2Center”或“Control”选项用于设置平台的初始位置。
其中“Go2Center”为自动控制工作台到中央一个设定的位置。
“Control”为手动设置工作台位置。
（5）完成上一步后，可依次选择打开StepIn，Impulse等文件。
例如打开StepIn，双击“Double click”模块，设置PC机与控制器的通信端口，并可修改控制卡位置控制回路的PID参数。
程序运行时将此PID参数下载至智能控制其，此时上位机不再作为控制器。
建议在修改PID参数前将最初的参数记录下来，以免遗忘丢失。
（6）点击运行按钮，双击scope可以查看工作台的单位阶跃响应曲线。
（7）单击获取性能参数值，可获取单位阶跃响应的超调量，调整时间，稳态误差，以便更清楚系统的性能。
单击“获取坐标值”便可读取时间响应曲线上任意点的坐标值。
（8）单击“响应误差曲线”按钮，便可得系统时间相应的误差曲线。
实验5--球杆系统的数字PID控制实验
学生实验报告开课学院及实验室：学院机电年级、专业、班姓名学号实验课程名称计算机控制技术成绩实验项目名称实验5 球杆系统的数字PID控制实验指导教师一、实验目的1．熟悉Matlab\simulink软件；2．通过试凑法确定球杆系统的PID参数；3．在球杆系统上验证PID参数的控制效果。
二、使用仪器、材料1．球杆系统装置。
2．装有matlab2012b的计算机。
三、实验步骤1．现场实验前先用Matlab\simulink软件进行仿真。
给出球杆装置的理想传递函数(1)用Simulink设计出该系统的模型。
输入信号为阶跃信号，控制器选择PID。
(2)用试凑法确定出合适的PID参数。
(3)比较设置不同参数时系统的响应特性。
2．进行现场实验。
测试好现场装置后，试着将仿真后得出的几个PID参数输入到控制系统中，观察球杆装置的运行情况。
在现场调整参数使系统取得良好的控制效果。
(1）打开球杆系统电控箱上的电源按钮，在MATLAB/Current Folder 中打开文件系统自带程序“PID_ Control_Modify.slx”，会弹出如图所示的实时控制界面(2）双击“PID Controller”模块，设置Kp、Ki、Kd的参数，参数为仿真过程得出的参数。
双击“Step”模块，设置阶跃信号参数：step time=0，initial value=0，final value=0.25。
(3) 点击编译程序，待编译成功后，点击连接程序，点击运行程序，观察球杆和小球的运动现象。
待小球静止后，点击停止程序，打开示波器scope观察响应曲线的超调量，调节时间。
若能达到理想的控制效果，说明所设置的PID参数合理。
否则，根据波形呈现的超调量，调节时间，以及最终稳定后呈现的静差，调整PID参数，继续调试系统，最终达到理想的控制效果。
四、实验过程原始记录（程序、数据、图表、计算等）1．Simulink仿真程序框图如下：系统输入为阶跃信号，阶跃时间为0，初始值为0，终值定为1,采样时间为0.1。
球杆定位控制系统实验指导书
球杆定位控制系统实验指导书实验指导书深圳市鸥鹏科技有限有限公司二○○五年十月目录目录 (2)一、球杆定位控制系统认知实验 (5)实验目的 (5)实验内容 (5)实验步骤 (5)实验报告 (7)二、系统建模分析 (8)1、机械建模分析 (8)2 电机建模分析 (8)三、球杆定位控制系统控制实验 (11)实验目的 (11)实验内容 (11)1、P控制器设计 (11)2、PD控制器设计 (12)2、PID控制器设计 (12)实验步骤 (12)实验报告 (20)四、球杆定位控制系统扩展控制实验 (21)4. 1 根轨迹算法设计 (21)4.2. 频率响应法设计 (21)前言球杆定位控制系统是为自动化，机械电子，电气工程等专业的基础控制课程教学实验而设计的实验设备。
通过对球杆系统进行分析和实验，学生可以学习对物理系统的建模和控制系统的设计，熟悉PID控制的设计和调节，以及利用别的控制理论和算法进行实验。
一、球杆定位控制系统认知实验实验目的认知球杆定位控制系统的结构和工作原理，熟悉系统的工作流程，并检验系统各通道的工作状况是否正常。
实验内容球杆定位控制系统结构如下图，有连杆机构及相应的电气驱动，传感部分组成，其工作流程为通过电机驱动，带动连杆运动，改变钢球所在滑道的倾斜角度，使钢球在重力作用下沿滑道运动。
本实验内容是要详细了解系统的结构，关键部件，并联机测试各部件工作是否正常。
实验步骤1、认真观察球杆定位控制系统，指出系统的各个部分，打开后盖，认知相关的电气控制部分及机械传动部分，并做好记录。
2、安装好后盖，将电源线，通讯线与电源箱，电脑正常连接。
3、接通电源，打开测试软件：1)在matlab下打开QGTEST.MDL进入测试界面：2)点击运行：3)设置运动位置POS，观察球杆运动情况，4)切换伺服开关，运动，停止开关，测试硬件响应5)改变运动速度，加速度及位置，观察运动情况6)打开各个示波器7)用手轻拨钢球，让钢球在滑道上缓慢滚动，观察采集到钢球的位置数据8)停止实时仿真，观察各示波器数据，并保存到相应的文件实验报告1写出球杆定位控制器通的主要组成，并描述各模块的功能与实现。
自动控制原理实验报告
实验课程名称 实验项目名称实验报告内容包含：实验目的、实验仪器、实验原理，实验内容、实验步骤、实验数据整理 与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果分析、实验思考题、实验心得。
【实验目的】1、 会用PID 法设计球杆系统控制器;2、 设计并验证校正环节；【实验仪器】1、 球杆系统；2、 计算机，Matlab 平台；【实验原理】1、PID 简介PID 的控制算法有很多，不同的算法各有其针对性。
图 2.2.1，图2.2.2，图2.2.3给 出了三种不同的算法。
在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID 控制。
模拟PID控制系统原理框图如图3.2.1所示。
学生实验报告自动控制原理 实验二PID 校正系统由模拟PID 控制器和被控对象组成技世列口理N 慕笛甩用扭用期 m 雀莎先行pm 控制也尉mK 2JJ 蚀 HD (MUMPID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 rt 与实际输出值yt 构成控制偏差etet 二rt -y t ( 2.2.1)将偏差的比例P 、积分I 和微分D 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制, 故称PID 控制器。
其控制规律为或写成传递函数的形式=K p 1+丄 +T D S (2.2.3)I T i S 丿式中：K p ——比例系数；T |——积分时间常数；T D ——微分时间常数 在控制系统设计和仿真中，也将传递函数写成式中：K P ——比例系数；K |——积分系数；K D ——微分系数。
上式从根轨迹角度看， 相当于给系统增加了一个位于原点的极点和两个位置可变的零点。
简单说来，PID 控制器各校正环节的作用如下：A 、 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号 et ，偏差一旦产生，控制器立即产生 控制作用，以减少偏差。
B 、 积分环节：主要用于消除稳态误差，提高系统的型别。
积分作用的强弱取决于积分时间常数T |，T |越大，积分作用越弱，反之则越强。
C 、 微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，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。
建模仿真_球杆实验_实验报告
《建模仿真与相似原理》課程实验报告第一章简化模型的建立和稳定性分析一、实验目的1.了解机理法建模的基本步骤；2.会用机理法建立球杆系统的简化数学模型；3.掌握控制系统稳定性分析的基本方法；二、实验要求1.采用机理法建立球杆系统的数学模型；2.分析的稳定性，并在 matlab 中仿真验证；三、实验设备1.球杆系统；2.计算机 matlab 平台；四、实验分析及思考题Simulink模型：Matlab仿真结果：思考题：1.根据建模的过程，总结机理法建模的基本步骤：1)根据系统运动的物理规律建立方程；2)化简为微分方程；3)根据小偏差线性化的理论化简为线性系统的传递函数；2.实验结果分析、讨论和建议。
答：影响系统稳定的因素是闭环系统的极点位置，闭环极点为[i，-i]，在虚轴上，所以其阻尼为0，则系统震荡。
测量系统稳定性的方法之一是加入大小合适的阶跃信号，根据其输出的阶跃响应分析系统的稳定性和其他性能。
第二章仿真及实物模拟仿真实验2.1 PID仿真及实物模拟仿真实验一、实验目的1.会用 PID 法设计球杆系统控制器；2.设计并验证校正环节；二、实验要求1.根据给定的性能指标，采用凑试法设计 PID 校正环节，校正球杆系统，并验证之。
2.设球杆系统的开环传递函数为：设计 PID 校正环节，使系统的性能指标达到： St ≤10s，δ≤30%。
三、实验设备1.球杆系统；2.计算机 matlab 平台；四、实验过程1.未校正系统仿真Simulink模型及仿真结果如第一章所示；2.PID校正法仿真Simulink模型：Matlab仿真结果：参数设定：Kp=10 Ki=0 Kd=103.PID实时控制Simulink模型：实时控制结果：Step参数设定：Step time=1 Final value=0.25PID参数设定：P=3 I=1 D=1.54.实验记录五、实验分析1.怎样确定PID 控制器的参数？答：由于ID 控制器各校正环节的作用如下：比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e（t）,偏差一旦产生，控制器立即产生作用，以减少偏差；积分环节：主要用于消除稳态误差，提高系统的型别。
数字pid控制实验报告doc
数字pid控制实验报告doc数字pid控制实验报告篇一：实验三数字PID控制实验三数字PID控制一、实验目的1．研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。
2．研究采样周期T对系统特性的影响。
3．研究I型系统及系统的稳定误差。
二、实验仪器1．EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2．PC计算机一台三、实验内容1．系统结构图如3-1图。
图3-1 系统结构图图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds）Gh（s）=（1－e-TS）/sGp1（s）=5/（（0.5s+1）（0.1s+1））Gp2（s）=1/（s（0.1s+1））2．开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图3-2和图3-3，其中图3-2对应GP1（s）,图3-3对应Gp2（s）。
图3-2 开环系统结构图1 图3-3开环系统结构图23．被控对象GP1（s）为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可系统变为“I型”系统，被控对象Gp2（s）为“I型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II 型”系统。
4．当r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程。
5．PI调节器及PID调节器的增益Gc（s）=Kp（1+K1/s）=KpK1(（1/k1）s+1) /s=K(Tis+1)/s式中 K=KpKi ,Ti=（1/K1）不难看出PI调节器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时，同时改变了闭环增益K，如果不想改变K,则应相应改变Kp。
采用PID调节器相同。
6．“II型”系统要注意稳定性。
对于Gp2（s）,若采用PI调节器控制，其开环传递函数为G（s）=Gc（s）·Gp2（s）=K（Tis+1）/s·(本文来自：/doc/a1e402b1c081e53a580216fc700abb 68a882ad33.html 小草范文网:数字pid控制实验报告)1/s（0.1s+1）为使用环系统稳定，应满足Ti>0.1，即K1 7．PID 递推算法如果PID 调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下：u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）其中 q0=Kp（1+KiT+（Kd/T））q1=－Kp（1+（2Kd/T））q2=Kp（Kd/T）T--采样周期四、实验步骤1.连接被测量典型环节的模拟电路(图3-2)。
球杆系统控制器设计实验报告(北京理工大学)
球杆系统控制器设计实验报告学院：自动化学院组号：5成员：球杆系统控制器设计实验一、实验目的和要求1.1 实验目的（1）通过本设计实验，加强对经典控制方法（PID控制器）和智能控制方法（神经网络、模糊控制、遗传算法等）在实际控制系统中的应用研究。
（2）提高学生有关控制系统控制器的程序设计、仿真和实际运行能力.（3）熟悉MATLAB语言以及在控制系统设计中的应用。
1.2 实验要求（1）每两人一组，完成球杆系统的开环系统仿真、控制器的设计与仿真以及实际运行结果；（2）认真理解设计内容，独立完成实验报告，实验报告要求：设计题目，设计的具体内容及实验运行结果，实验结果分析、个人收获和不足，参考资料。
程序清单文件。
二、实验内容本设计实验的主要内容是设计一个稳定的控制系统，其核心是设计控制器，并在MATLAB/SIMULINK环境下进行仿真实验，并在球杆实验平台上实际验证。
算法实现：设计模糊控制器控制球杆系统，达到要求目标。
三、实验原理3.1 球杆系统的特点球杆系统是一个典型的非线性系统，理论上而言，它是一个真正意义上的非线性系统，其执行机构还具有很多非线性特性，包括：死区，直流马达和带轮的传动非线性，位置测量的不连续性，导轨表面不是严格的光滑表面，产生非线性阻力，这些非线性因素对于传统意义上的测量和建模造成很大的影响，并对系统的控制性能造成非常大的影响，怎样去设计一个鲁棒的控制系统，是现代控制理论的一个重要问题。
因为系统机械结构的特点，球杆系统具有一个最重要的特性——不稳定性，对于传统的实验方法，存在一些实验的难处，不稳定的系统容易对实验人员产生危险或是不可预料的伤害，球杆系统相对而言，机械比较简单，结构比较紧凑，安全性也比较高，是一个可以避免这些危险和伤害的实验设备。
3.2 球杆系统的数学模型对小球在导轨上滚动的动态过程的完整描述是非常复杂的，设计者的目的是对于该控制系统给出一个相对简单的模型，如图3.1所示为实验使用球杆系统简化图。
合肥工业大学自动控制控制理论综合实验球杆实验报告
实验一 球杆系统的数学模型实验目的实验内容1) 分析并推导系统的数学模型；2) 求解系统的状态空间方程和传递函数方程； 在matlab 中建立一下m 文件并运行：m=0.028;R=0.0145;g=-9.8;J=0.4*m*R^2;a=-m*g/(J/R^2+m);A=[0 1 0 0;0 0 a 0;0 0 0 1;0 0 0 0] B=[0;0;0;1] C=[1 0 0 0] D=0[n,d]=ss2tf(A,B,C,D);G=tf(n,d); 返回：A = 0 1.0000 0 0 0 0 7.0000 0 0 0 0 1.0000 0 0 0 0B = 0 0 0 1C = 1 0 0 0D = 0Transfer function:-4.441e-016 s^3 + 1.998e-015 s^2 + 3.997e-015 s + 7 --------------------------------------------------- s^4上式即为传递函数方程。
3) 在Matlab 下建立系统的模型并进行阶跃响应仿真。
为得到阶跃响应，输入命令： step(G) 得到阶跃响应曲线如下：Step ResponseTime (sec)A m p l i t u d e实验二球杆系统的数字P 控制器设计实验目的实验原理实验内容：1. 在matlab下仿真比例控制时系统的响应情况。
在matlab中建立m文件并运行：m = 0.028;R = 0.0145;g = -9.8;L = 0.40;d = 0.045;J = 0.4*m*R^2;K = (m*g*d)/(L*(J/R^2+m)); %simplifies input num = [-K];den = [1 0 0];ball=tf(num,den)kp = 1;sys_cl=feedback(kp*ball,1) %建立闭环系统step(0.25*sys_cl) %阶跃响应05101520253035400.050.10.150.20.250.30.350.40.450.5Step ResponseTime (sec)Amplitude2.进入BallBeamControl 应用控制程序进行实时控制；实验三 球杆系统的数字PD 控制器设计实验目的实验原理：实验内容：1、 在matlab 中仿真PD 控制器下球杆系统的响应情况。
数字PID控制实验
4.5.1数字PID 控制实验 1 标准PID 控制算法1. 一. 实验要求2. 了解和掌握连续控制系统的PID 控制的原理。
3. 了解和掌握被控对象数学模型的建立。
4. 了解和掌握数字PID 调节器控制参数的工程整定方法。
观察和分析在标准PID 控制系统中, P.I.D 参数对系统性能的影响。
二. 实验内容及步骤 ⑴ 确立模型结构本实验采用二个惯性环节串接组成实验被控对象, T1=0.2S, T2=0.5S Ko=2。
S e T K s G τ-+⨯≈+⨯+=1S 110.2S 21S 5.01)(000⑵ 被控对象参数的确认被控对象参数的确认构成如图4-5-10所示。
本实验将函数发生器（B5）单元作为信号发生器, 矩形波输出（OUT ）施加于被测系统的输入端R, 观察矩形波从0V 阶跃到+2.5V 时被控对象的响应曲线。
图4-5-10 被控对象参数的确认构成实验步骤: 注: 将‘S ST ’用‘短路套’短接!① 在显示与功能选择（D1）单元中, 通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
② B5的量程选择开关S2置下档, 调节“设定电位器1”, 使之矩形波宽度>2秒（D1单元左显示）。
③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 2.5V 左右（D1单元右显示）。
④ 构造模拟电路: 按图4-5-10安置短路套及测孔联线, 表如下。
（a ）安置短路套 （b ）测孔联线⑤ 运行、观察、记录:A)先运行LABACT 程序, 选择界面的“工具”菜单选中“双迹示波器”（Alt+W ）项, 弹出双迹示波器的界面, 点击开始, 用虚拟示波器观察系统输入信号。
图4-5-11 被控对象响应曲线B) 在图4-5-112被控对象响应曲线上测得t1和t2。
通常取 , 要求从图中测得 ； 通常取 , 要求从图中测得 。
计算 和 : 0.84730.3567t -1.204t )]t (y 1[ln -)]t (y 1[ln )]t (y 1[ln t )]t (y 1[n t 0.8473t t )]t (y 1[ln -)]t (y 1[ln t t T 212010201102122010120==-----=-=---=τC) 求得数字PID 调节器控制参数P K 、I T 、D T （工程整定法）)/0.2(1)/0.37()/0.6(1)/0.5()/2.5(]27.0)/(35.1[10000200000T T T T T T T T T T K K D I P ττττττ+⨯=++⨯=+=据上式计算数字PID 调节器控制参数P K 、I T 、D T⑶ 数字PID 闭环控制系统实验数字PID 闭环控制系统实验构成见图4-5-12, 观察和分析在标准PID 控制系统中, P.I.D 参数对系统性能的影响, 分别改变P.I.D 参数, 观察输出特性, 填入实验报告,模块号 跨接座号 1 A5 S5, S7, S102 A7 S2, S7, S9, P3 B5‘S-ST ’1 输入信号R B5（OUT ）→A5（H1）2 运放级联 A5A （OUTA ）→A7（H1）3 示波器联接 ×1档B5（OUT ）→B3（CH1） 4A7A （OUTA ）→B3（CH2）图4-5-12 数字PID 闭环控制系统实验构成实验步骤: 注: 将‘S ST ’用‘短路套’短接!① 在显示与功能选择（D1）单元中, 通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
自动控制原理实验报告——球杆系统
1系统建模连线（连杆和同步带轮的连接点与齿轮中心的连线）和水平线的夹角为（的角度存在一定的限制，在最小和最大的范围之间），它作为连杆的输入，横杆的倾斜角和之间的有如下的数学关系：角度和电机轴之间存在一个减速比n=4的同步带，控制器设计的任务是通过调整齿轮的角度，使得小球在某一位置平衡。
小球在横杆上滚动的加速度如下式：其中：小球在横杆上的位置r为输出小球的质量m = 0.11kg;小球的半径R = 0.015m;重力加速度g = -9.8m/s2;横杆长L = 0.4m;连杆和齿轮的连接点与齿轮中心的距离为d = 0.04(m);小球的转动惯量J = 2*m*R^2/5(N/m2)。
我们假设小球在横杆上的运动为滚动，且摩擦力可以忽略不计。
因为我们期望角度在0附近，因此我们可以在0附近对其进行线性化，得到近似的线性方程：Laplace变换得：2实验步骤【主要方法】：通过球杆系统仿真，与理想传递函数下的反馈系统的对比，深刻理解系统的调节以及稳定性特征。
2.1PID控制法2.1.1P控制1.含有控制器、球杆系统结构和小球位置反馈的系统框图如下所示：其中，Xd(s)为小球目标位置的拉普拉斯变换，P控制器为：GP(s)=K P 闭环系统的传递函数为：其中，。
2.MATLAB仿真程序代码：m=0.11; R=0.015; g=-9.8; L=0.4; d=0.04;J=2*m*R^2/5;K=(m*g*d)/(L*(J/R^2+m));num=[-K]; den=[1 0 0];plant=tf(num,den);kp=3;sys_cl=feedback(kp*plant,1);step(0.2*sys_cl)（1）当Kp=3时（2）当Kp=6时（3）当Kp=10时3.在Simulink环境下仿真（1）当Kp=3时（2）当Kp=6时（3）当Kp=10时分析：从仿真图和实验图中可以看出，他们的大致波形是一致的，但由于实验受环境影响，如用手抓取小球，桌面收到碰撞震荡等，使波形出现很多毛刺，但系统是不稳定的，出现等幅振荡。
数字pid实验报告
数字pid实验报告数字PID实验报告引言：PID控制器是一种常见的控制器，广泛应用于工业自动化领域。
它通过不断调整输出信号，使被控对象的实际值与设定值尽可能接近，从而实现稳定控制。
本实验旨在通过数字PID控制器的设计与实现，探索其在控制系统中的应用。
一、实验目的本实验的主要目的是通过设计与实现数字PID控制器，研究其在控制系统中的性能与应用。
具体目标如下：1. 了解PID控制器的原理与基本结构；2. 掌握数字PID控制器的设计方法；3. 通过实验验证数字PID控制器的性能与稳定性。
二、实验原理PID控制器由比例控制器（P）、积分控制器（I）和微分控制器（D）组成。
其输出信号由这三个部分的加权和构成，分别对应于控制器的比例、积分和微分作用。
比例控制器根据被控对象的偏差大小进行调整，积分控制器根据偏差的积分进行调整，而微分控制器则根据偏差的变化率进行调整。
数字PID控制器是对传统PID控制器的一种改进，其主要特点是使用数字计算器来实现控制算法。
在数字PID控制器中，连续的时间变量被离散化为离散的时间变量，通过采样和量化，将控制信号转换为数字信号进行处理。
离散化的控制算法可以通过计算机进行实现，从而提高控制精度和稳定性。
三、实验器材与方法1. 实验器材：- 控制系统实验平台- 数字PID控制器模块- 电源供应器- 电压表、电流表等测量仪器2. 实验方法：(1) 搭建控制系统实验平台，将被控对象与数字PID控制器模块连接；(2) 设定被控对象的目标值，并调整PID控制器的参数；(3) 启动实验平台，观察被控对象的实际值与目标值的变化，并记录数据；(4) 根据实验数据，分析PID控制器的性能与稳定性。
四、实验结果与讨论在本实验中，我们选择了一个温度控制系统作为被控对象，通过数字PID控制器来实现温度的稳定控制。
在实验过程中，我们调整了PID控制器的参数，并记录了被控对象的实际温度值与目标温度值。
通过实验数据的分析，我们可以得出以下结论：1. 比例控制器的参数对系统的响应速度有重要影响。
球杆系统现代控制word版
现代控制系统大作业Modern Control System球杆系统稳定实验班级：2008211401学号：08211772姓名：姚锟其他组员：丁一阮祥时2011.1.4目录一、系统建模 (2)二、实验要求 (3)三、实验1(P控制) (3)四、实验2(PD控制) (6)五、实验3(PID控制) (9)六、实验4(根轨迹控制) (12)七、实验总结 (14)一、系统建模连线（连杆和同步带轮的连接点与齿轮中心的连线）和水平线的夹角为θ（θ的角度存在一定的限制，在最小和最大的范围之间），它作为连杆的输入，横杆的倾斜角α和θ之间的有如下的数学关系：角度θ和电机轴之间存在一个减速比n=4的同步带，控制器设计的任务是通过调整齿轮的角度θ，使得小球在某一位置平衡。
小球在横杆上滚动的加速度如下式：其中：小球在横杆上的位置r为输出小球的质量m = 0.11公斤;小球的半径R = 0.015米;重力加速度g = -9.8米/秒2;横杆长L = 0.4米;连杆和齿轮的连接点与齿轮中心的距离为d = 0.04米;小球的转动惯量J = 2*m*R^2/5牛顿.秒2。
我们假设小球在横杆上的运动为滚动，且摩擦力可以忽略不计。
因为我们期望角度α在0附近，因此我们可以在0附近对其进行线性化，得到近似的线性方程：Laplace变换得：二、实验要求假设控制的指标要求如下：♦调整时间小于1秒（2％误差）♦超调量小于10％下面将介绍几种适合于此类问题的控制器设计方法：PID控制根轨迹法三、实验步骤✓主要方法：通过球杆系统仿真，与理想传递函数下的反馈系统的对比，深刻理解系统的调节以及稳定性特征。
实验一：P控制1. 含有控制器、球杆系统结构和小球位置反馈的系统框图如下所示：其中，Xd(s)为小球目标位置的拉普拉斯变换，P控制器为：GP (s)=KP闭环系统的传递函数为：，其中c==0.72.MATLAB仿真（1）当Kp=3时m=0.11;R=0.015;g=-9.8;L=0.4;d=0.04;J=2*m*R^2/5;K=(m*g*d)/(L*(J/R^2+m));num=[-K];den=[1 0 0];plant=tf(num,den);kp=3;sys_cl=feedback(kp*plant,1);step(0.2*sys_cl)(2)改变参数，当Kp=5时m=0.11;R=0.015;g=-9.8;L=0.4;d=0.04;J=2*m*R^2/5;K=(m*g*d)/(L*(J/R^2+m)); num=[-K];den=[1 0 0];plant=tf(num,den);kp=5;sys_cl=feedback(kp*plant,1); step(0.2*sys_cl)分析：可以看出，添加P控制器后，系统并不能稳定。
自动控制原理实验报告——球杆系统
自动控制原理实验报告——球杆系统一、实验目的1、了解自动控制中的反馈控制原理。
2、通过对球杆系统的建模，实现对球杆运动的自动控制。
3、了解PID控制器的基本原理及其参数调节方法。
二、实验器材1、单轴直线滚动导轨2、步进电机3、直流电机5、万用表6、电脑三、实验原理反馈控制是控制系统中的一种常见方法。
其工作过程是测量输出量，与设定值进行比较，然后用输出的误差信号来调整控制器，从而控制输入量，使输出量达到设定值。
这种工作方式的主要特点是能够在一定程度上处理外部干扰和系统变化。
2、控制对象球杆系统具有非线性和时变特点，建模时常用的方法是状态空间法，即用矩阵方程来描述系统的状态和动态特性，从而实现系统的控制。
其中，球杆系统的状态向量可以表示为：式中，α和θ分别表示球杆的角度和倾斜角度，u则是系统的输入。
3、PID控制器PID控制器是一种基本的反馈控制器，其主要特点是能够在一定程度上克服系统的非线性和时变性。
其控制策略是将误差信号经Proportional、Integral、Derivative三个环节处理后再输出控制信号。
具体来说，PID控制器的输出可以表示为：式中，e表示当前误差，T为采样时间，Kp、Ki和Kd分别为比例系数、积分系数和微分系数。
这些系数是PID控制器的重要参数，在控制实际物理系统时需要进行合理调节。
四、实验过程1、球杆系统建模根据上述原理，我们采用模型参数估计法，对球杆系统的状态方程进行求解和建模。
下图为球杆系统的实物模型：其中，Θ为球杆的倾斜角度，α为球杆相对于竖直方向的偏角。
此外，球杆的长度为L，质量为m，转动惯量为I。
考虑到系统的非线性和时变性，我们采用状态空间法进行建模，得到以下的状态方程：根据系统的动态特性，我们选择PID控制器进行调节，以使球杆系统达到平衡状态。
首先我们需要调节PID控制器的三个系数，通过试验寻找较为合适的值。
其中，Kp控制系统的快速性，Ki控制系统的稳定性，Kd则是控制系统的抗干扰性。
球杆系统控制器设计实验报告(北京理工大学).
球杆系统控制器设计实验报告学院：自动化学院组号：5成员：球杆系统控制器设计实验一、实验目的和要求1.1 实验目的（1）通过本设计实验，加强对经典控制方法（PID控制器）和智能控制方法（神经网络、模糊控制、遗传算法等）在实际控制系统中的应用研究。
（2）提高学生有关控制系统控制器的程序设计、仿真和实际运行能力.（3）熟悉MATLAB语言以及在控制系统设计中的应用。
1.2 实验要求（1）每两人一组，完成球杆系统的开环系统仿真、控制器的设计与仿真以及实际运行结果；（2）认真理解设计内容，独立完成实验报告，实验报告要求：设计题目，设计的具体内容及实验运行结果，实验结果分析、个人收获和不足，参考资料。
程序清单文件。
二、实验内容本设计实验的主要内容是设计一个稳定的控制系统，其核心是设计控制器，并在MATLAB/SIMULINK环境下进行仿真实验，并在球杆实验平台上实际验证。
算法实现：设计模糊控制器控制球杆系统，达到要求目标。
三、实验原理3.1 球杆系统的特点球杆系统是一个典型的非线性系统，理论上而言，它是一个真正意义上的非线性系统，其执行机构还具有很多非线性特性，包括：死区，直流马达和带轮的传动非线性，位置测量的不连续性，导轨表面不是严格的光滑表面，产生非线性阻力，这些非线性因素对于传统意义上的测量和建模造成很大的影响，并对系统的控制性能造成非常大的影响，怎样去设计一个鲁棒的控制系统，是现代控制理论的一个重要问题。
因为系统机械结构的特点，球杆系统具有一个最重要的特性——不稳定性，对于传统的实验方法，存在一些实验的难处，不稳定的系统容易对实验人员产生危险或是不可预料的伤害，球杆系统相对而言，机械比较简单，结构比较紧凑，安全性也比较高，是一个可以避免这些危险和伤害的实验设备。
3.2 球杆系统的数学模型对小球在导轨上滚动的动态过程的完整描述是非常复杂的，设计者的目的是对于该控制系统给出一个相对简单的模型，如图3.1所示为实验使用球杆系统简化图。
05PID控制器系统校正实验
实验五 PID 控制器系统校正实验一. 实验目的了解PID 控制器中比例(Proportional), 积分(Integral)和微分(Dderivative)环节的作用，掌握通过调节PID 控制器参数控制系统响应的方法，研究校正前后控制系统的时域动态品质。
二. 实验内容设有一个简单的由质量、弹簧、阻尼构成的单自由度振动系统模型，如下图所示：图1单自由度振动系统模型系统振动运动方程为：F kx x b xM =++&&& 取拉氏变换有：)()()()(2s F s kX s bsX s X Ms =++得系统传递函数：kbs Ms s F s X ++=21)()( 模型参数为：• M = 1kg • b = 10 N.s/m • k = 20 N/m •F(s) = 1代入传递函数中有：20101)()(2++=s s s F s X 图2是系统开环系统的单位阶跃响应曲线，系统上升时间约为1秒，稳定时间约为1.5秒。
拟采用增加PID 控制器的方法来改善系统响应性能。
图2系统开环单位阶跃响应曲线 设有如下的控制模型：图3系统控制框图其中控制器采用PID：图4 PID控制器框图PID控制器的传递函数为：•Kp = 比例环节增益•KI = 积分环节增益•Kd = 微分环节增益实验目标是设计PID控制器，使系统达到：•最短上升时间•最小过冲量•最小稳态误差PID控制器设计的一般原则：1.观察系统开环响应，确定待改进之处2.加入比例环节缩短系统响应时间3.加入微分环节改善系统的过冲4.加入积分控制减小系统的稳态误差5.调节Kp, Ki, Kd，使系统的响应达到最优。
三. 实验仪器和设备1. 计算机1台2. DRLink计算机控制平台1套3. 打印机1台四. 实验步骤1.运行DRLink主程序，点击DRLink快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的“DRLink采集仪主卡检测”或“网络在线注册”进行软件注册。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
学生实验报告开课学院及实验室：
学院机电年级、专
业、班
姓名学号
实验课程名称计算机控制技术成绩
实验项目名称实验5 球杆系统的数字PID控制实验指导教师
一、实验目的
1．熟悉Matlab\simulink软件；
2．通过试凑法确定球杆系统的PID参数；
3．在球杆系统上验证PID参数的控制效果。
二、使用仪器、材料
1．球杆系统装置。
2．装有matlab2012b的计算机。
三、实验步骤
1．现场实验前先用Matlab\simulink软件进行仿真。
给出球杆装置的理想传递函数
(1)用Simulink设计出该系统的模型。
输入信号为阶跃信号，控制器选择PID。
(2)用试凑法确定出合适的PID参数。
(3)比较设置不同参数时系统的响应特性。
2．进行现场实验。
测试好现场装置后，试着将仿真后得出的几个PID参数输入到控制系统中，观察球杆装置的运行情况。
在现场调整参数使系统取得良好的控制效果。
(1）打开球杆系统电控箱上的电源按钮，在MATLAB/Current Folder 中打开文件系统自带程序“PID_ Control_Modify.slx”，会弹出如图所示的实时控制界面
(2）双击“PID Controller”模块，设置Kp、Ki、Kd的参数，参数为仿真过程得出的参数。
双击
“Step”模块，设置阶跃信号参数：step time=0，initial value=0，final value=0.25。
(3) 点击编译程序，待编译成功后，点击连接程序，点击运行程序，观察球杆和小球的运动现象。
待小球静止后，点击停止程序，打开示波器scope观察响应曲线的超调量，调节时间。
若能达到理想的控制效果，说明所设置的PID参数合理。
否则，根据波形呈现的超调量，调节时间，以及最终稳定后呈现的静差，调整PID参数，继续调试系统，最终达到理想的控制效果。
四、实验过程原始记录（程序、数据、图表、计算等）
1．Simulink仿真程序框图如下：
系统输入为阶跃信号，阶跃时间为0，初始值为0，终值定为1,采样时间为0.1。
用试凑法设置的PID参数如下：
(1)首先设置比例系数(P):
运行仿真程序，得到的输出响应波形如下图所示：
观察波形可知，静态误差太大，故加入积分环节消除静态误差。
（2）根据比例环节设置积分环节参数（I）：
运行之后的波形如下图所示：
可见加入积分环节之后，虽然减小了静态误差，可同时也降低了系统反应时间，甚至出现振荡现象，故需加入微分环节调节，使系统稳定。
（3）根据比例积分环节加入微分环节（D）：
运行之后的波形如下图所示：
从波形图可知，超调量减小，调节时间减小，振荡消失，系统稳定。
2．将以上通过试凑法整定的PID参数（4,0.2，8）输入到现场球杆系统的PID控制器中，
运行系统，观察系统的输出波形：
由于设备误差，系统输出波形一开始无法稳定，小球位置不能准确停在球杆上，但从后半段波形可知，系统在稳定之前存在很大误差，需要调节积分参数，从而减小误差，将参数I调整为0.4，再次运行：
可以看到，输出波形比之前更加稳定，误差减小，从而证明积分参数有助于减小误差，但系统还存在振荡现象，调节微分环节消除振荡。
继续调整参数，比较控制效果：
设定Kp=1.5，Ki=0.42，Kd=1.65，运行和观察：
从波形图可知，调节微分环节有助于减小振荡和超调量，此时系统稳定性较好。
五、实验结果及总结
理论数据输入到实际球杆系统中时，波形效果比理论效果相比差很多，可见仿真只是理论参考而已，需与实际结合才能得出最佳参数；而且实验仪器也会存在很多未知误差，从波形图可知，系统一开始会出现严重振荡，之后逐渐趋于稳定，可能是电机误差，也可能是传感器误差，所以都需要现场调试才能设法消除这些误差。
通过试凑法得出的参数并非适用于实际系统，仍需通过比例积分微分三者之间的协调关系来调整系统输出波形，主要是比例环节加快系统响应时间，积分环节减小误差，微分环节减小振荡和超调量，需要根据输出波形不断调整三者参数。