多质量弹性扭矩系统的设计

滨江学院 学年论文 题 目 多质量弹性扭矩系统的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与实现 学生姓名 王丽 学 号 20092300055 学 院 滨江学院 专 业 电气工程及其自动化 指导教师 张颖超 二Ｏ一二 年 12 月 8 日 目 录 21. 引言 22. MATLAB Simulink仿真原理 33. PID仿真原理 33.1 PID基本原理和框图 53.2 P、PI、PID校正后的系统阶跃响应曲线 74. 在Simulink 下实现PID 控制器的设计与仿真 74.1建立simulink下的PID模型 84.2 P，PI，PID控制下的阶跃响应 105. B&R 中 PLC基本工作原理 126. 多质量弹性扭矩的设计与实验 13参考文献 多多质量弹性扭矩的设计系统与实验1 多质量弹性扭矩系统的设计与实验 王丽 20092300055 南京信息工程大学滨江学院自动控制系，南京 210044 摘要：根据利用matlab的系统辨识工具和PID控制器，将Simulink中的仿真模型转换成AS中的C语言代码下载到B&R的PLC中，以仿真模型中的PID控制器参数为基础，经过适当的调整，对多质量弹性扭转系统进行控制。 关键词：系统辨识法，Matlab/Simulink仿真，AS软件，PID控制 1. 引言 本设计旨在给出一种多质量弹性扭转系统的控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ， 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 控制第二个质量块的角速度，使其以最短的时间和最小的误差达到设定的速度。首先，利用matlab自带的系统辨识工具箱得到系统模型的参数。然后，采用鲁棒PID设计方法确定PID控制器的参数，通过在Simulink中仿真，验证了PID控制器的参数。最后，将Simulink中的仿真模型转换成AS（Automation Studio）中的C语言代码下载到B&R的PLC中，以仿真模型中的PID控制器参数为基础，经过适当的调整，对多质量弹性扭转系统进行控制，仿真和实际测试均表明PID控制器能够有效的控制多质量弹性扭转系统的转速。 2. MATLAB Simulink仿真原理 Simulink的启动首先须确定MATLAB已安装了Simulink工具箱. 在工具栏点击Simulink图标: simulink图标 图 2.1 simulink图标 或在Command Window中输入>> Simulink即出现SimulinkLibrary Browser窗口: 图2.2 SimulinkLibrary Browser窗口 从中可看到Simulink基本模块库及其子库, 如Continuous, Discrete,…, Sinks, Sources等等.子库Sources(信源)中存放了各种信号源, 如Clock(输出时间t), Constant(输出常数), Sine Wave(输出正弦波), Step(输出阶梯波)等等.子库Sinks(信宿)中存放对数据的处理装置, 如Display(显示数据), Scope(示波器), XY Graph(用图形显示两变量的函数关系), To File(存储到文件), To Workspace(存储到Workspace), Stop Simulation(停止模拟)等等. 子库Continuous和Discrete分别存放连续和离散的函数, 如连续函数有Derivative(求导数), Integrator(积分器), State-Space(状态空间), TransferFcn(传递函数)等等, 离散的有Discrete TransferFcn(离散传递函数), Discrete Filter(离散滤波器), Discrete State-Space(离散状态空间)等等.在SimulinkLibrary Browser窗口中, 建立一个新模型(new model), 即打开一个新的空白模型窗口, 用鼠标左键点取所需要的模块拖到模型窗口中, 用鼠标左键在模块间建立连接线(若在已有连接线上分叉则用右键)即可。 3. PID仿真原理 3.1 PID基本原理和框图 PID制器是一种基于“过去”，“现在”和“未来”信息估计的简单算法。 图3.1 PID控制系统原理框图 PID控制系统原理框图如图2.1所示，系统主要由PID控制器和被控对象组成。作为一种线性控制器，它根据设定值y3D（t）和实际输出值y（t）构成控制偏差e(l)，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u(o），对被控对象进行控制。控制器的输入输出关系可描述为: u(t)=Kp[e(t)+1/Ti e(t)dt+Td de(t)/dt ]（2-1） 式中:e(t)=yxp(t)-y(t)，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。 图 3.2 未校正前系统的阶跃响应曲线 3.2 P、PI、PID校正后的系统阶跃响应曲线 图3.3 P控制器校正后的系统阶跃响应曲线 图3.4 PI控制器校正后的系统阶跃响应曲线 图3.5 PID控制器校正厚的系统阶跃响应曲线 图3.6 P，PI，PID控制器校正厚的系统阶跃响应去想 由上图可知，用Ziegler- Nichols公式计算P、PI、PID控制器对系统校正后，其阶跃响应曲线中的P、PI控制二者的响应速度基本相同，因为两种控制的比例系数不同，因此系统稳定的输出值不同。PI控制超调量比P控制的要小一些。PID控制比前者的响应速度都快，但超调量最大。 4. 在Simulink 下实现PID 控制器的设计与仿真 4.1建立simulink下的PID模型 这里仍然设被控对象的传递函数是 G（s）=8/（1+360s）*e-180s （3-1） 建立Simulink模型： 图4.1 PID simulink结构图 图中，“Integrator”为积分器，“Derivative”为微分器，“Kp”为比例系数，“Ti”为积分时间常数，“Td”为微分时间常数。进行P控制器参数整定时，微分器和积分器的输出不连到系统中，在Simulink中，把微分器和积分器的输出连线断开即可。同理，进行PI控制器参数整定时，微分器的输出连线断开。 Ziegler- Nichols整定的第一步是获取开环系统的单位阶跃响应，在Simulink中，把反馈连线、微分器的输出连线、积分器的输出连线都断开，“Kp”的值置为1，连线得： 图4.2 开环系统的比例控制的结构图 图4.3未处理前的阶跃响应 4.2 P，PI，PID控制下的阶跃响应 根据Ziegler- Nichols经验公式，可知P控制整定时，比例放大系数Kp=0.25，将“Kp”的值置为0.25，并连上反馈连线，得： 图4.4 闭环比例系统的控制结构图 选定仿真时间，仿真运行，运行完毕后，双击“Scope”得到结果： 图4.5 P控制时系统的单位阶跃响应 根据Ziegler- Nichols经验公式，可知PI控制整定时，比例放大系数Kp=0.225，积分时间常数Ti=594,将“Kp”的值置为0.225,“1/Ti”的值为1/594，将积分器的输出连线连上，得： 图4.6 PI 闭环比例控制结构图 选定仿真时间，仿真运行，运行完毕后，双击“Scope”得到结果： 图4.7 PI控制时系统的单位阶跃响应 根据Ziegler- Nichols经验公式，可知PID控制整定时，比例放大系数Kp=0.3，积分时间常数Ti=396,微分时间常数Td=90,将“Kp”的值置为0.3,“1/Ti”的值为1/396，“Td”的值置为90，将微分器的输出连线连上，得： 图4.8 PID闭环控制结构图 选定仿真时间，仿真运行，运行完毕后，双击“Scope”得到结果 图4.9 PID三者控制的单位阶跃响应 由以上三图同样可以看出，P、PI控制二者的响应速度基本相同，但系统稳定的输出值不同。PI控制超调量比P控制的要小一些。PID控制比前者的响应速度都快，但超调量最大。 5. B&R 中 PLC基本工作原理 PLC的基本工作原理 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 输入采样阶段 　　在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。 即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。 　同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。 一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如下图所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。 PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式 1．每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。 2．输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 4．元件映象寄存器的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 是随着程序的执行变化而变化的。 5．扫描周期的长短由三条决定。（1）CPU执行指令的速度（2）指令本身占有的时间（3）指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。 6．由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟 6. 多质量弹性扭矩的设计与实验 图6.1 多质量弹性扭矩系统 机械部分包括：两块大小不一的圆柱形质量体分别通过中心轴固定在U型底座上，保证其中心轴线在一条水平线上。质量体从左数起：第一块和第二块之间通过具有一定柔性的弹簧连接。第一块质量体的左端直接与直流电机（经过减速箱）连接，电机转动则可以驱动两块质量体转动。 电器部分包括：PLC、电机和编码器组成，质量快的转速用编码器测量。 控制要求：控制电机使第二块质量体能够以最快的加速度达到指定的速度匀速转动，并使匀速时的速度误差尽可能小。 要实现多质量弹性扭转系统的控制，首先需要获取系统模型，由于系统参数（质量快的转动惯量，弹簧的扭转系数，电机的一些参数）未知，不便机理建模，因此，在本设计中，将该系统当成一个黑箱系统，通过测量输入、输出数据，选取过程模型作为待辨识模型，利用matlab自带的系统辨识工具箱得到系统模型的参数。然后，采用鲁棒PID设计方法确定PID控制器的参数，通过在Simulink中仿真，验证PID控制器。最后，将Simulink中的仿真模型转换成AS（Automation Studio）中的C语言代码下载到B&R的PLC中，以仿真模型中的PID控制器参数为基础，经过适当的调整，对多质量弹性扭转系统进行控制。 7.总结 多质量弹性扭矩系统的设计与实验，分别运用了MATLAB中simulink仿真，PID控制和PLC数据采集等多种软件完成控制。在设置正确的情况下，实验结果满足控制要求，并且与仿真结果十分相似。整个过程我从对MATLAB的初步认识到对simulink的深入了解，从对PID的一无所知到对整个控制的简单模拟实验，从对PLC的片面了解到对其的认知深入。虽然实验过程遇到了很多麻烦和不懂的问题，但是通过老师和学长的帮助，完成了本次实验，并且在知识方面也大大增强了。整个控制过程没有繁琐的编程环节，告诉我要巧用身边的软件来完成任务；要动脑，不能按部就班；还要谦虚，不懂就要问，不能自大。实验中还需要谨慎，不管是做实验还是写报告，都要一步一步，仔细踏实的完成。 参考文献 [1]齐蓉. 《可编程控制器技术》 电子工业出版社 2009 [2]周健兴. 《MATLAB从入门到精通》人民邮电出版社 2008 [3]李元春. 《计算机控制系统》 高等教育出版社 2008 [4]胡寿松. 《自动控制原理》 科学出版社 2001 [5]王薇. 《MATLAB从基础到精通》 电子工业出版社 2012 [6]刘金琨. 《先进PID控制MATLAB仿真》（第三版）电子工业出版社 2011 [7]黄友瑞 曲立国. 《PID 控制器参数整定与实现》科学出版社 2010 Multi-the quality elastic torque system design and experimental Wang Li 20092300055 NanJing University of Information Science and Technology, BinJiang College, Engineering and automation, NanJing , 210044 Abstract：according to the use of matlab syetem identification tools and PID controller, the simulation model in Simulink conwerts the AS C language code downloaded to the B&R PLC Based PID controller parameters in the simulation model,after appropriateadjustments to the system of multi-quality elastic tosional control.Keyword: system identification method ,Matlab/Simulink sumulation,AS saftware,PIDcontrol; _1234567890.unknown _1234567891.unknown