控制系统分析与综合实训报告用纸
五、 PID控制
（一）、系统分析：
当被控对象的结构和参数不能完全被掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
PID校正装置（又称PID控制器或PID调节器）是一种有源校正装置，它是最早发展起来的控制策略之一，在工业过程控制中有着最广泛的应用，其实现方式有电气式、气动式和液力式。与无源校正装置相比，它具有结构简单、参数易于整定、应用面广等特点，设计的控制对象可以有精确模型，并可以是黑箱或灰箱系统。总体而言，它主要有如下优点：
（1）原理简单，应用方便，参数整定灵活。
（2）适用性强。可以广泛应用于电力、机械、化工、热工、冶金、轻工、建材、石油等行业。
（3）鲁棒性强。即其控制的质量对受控对象的变化不太敏感，这是它获广泛应用的最重要的一原因。因为在实际的受控对象，例如由于受外界的扰动时，尤其是外界负荷发生变化时，受控对象特性会发生很大变化，为得到良好的控制品质，必须经常改变控制器的参数，这在实际操作上是非常麻烦的；又如，由于环境的变化或设备的老化，受控对象模型的结构或参数均会发生一些不可知的变化，为保证控制质量，就应对控制器进行重新设计，这在有些过程中是不允许的。因此，如果控制器鲁棒性强，则就无须经常改变控制器的参数或结构。 （二）控制器仿真设计：
要使系统各项性能尽可能的好，只有一边增大Ki加快系统消除稳态误差的时间，一边减小Kp来改善系统的动态性能。
可以发现，当Ki小于4时，无论Kp取何值系统都是稳定的，但是当Ki=4时，就有一部分根轨迹在S又半平面内，此时系统不稳定，这在我们确定PI控制参数时是要加以考虑的。经过反复的手工调试，基本可以确定Ki可以选定在1~3范围之内，而Kp可以选定在0.6~2范围之内，最后使调整时间ts 尽量小；最大超调量δp≤10%。
Matlab图：
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（三）实际系统运行分析：
运行时发现小车不停地向左偏移，经分析，是由于微分和积分环节过大造成的，再次调节，摆杆运行稳定。
一级倒立摆系统实际PID控制simulink图：
运行图：
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六、 状态空间极点配置控制
（一）、系统分析：
1、基本分析：
实现多输入、多输出、高度非线不稳定的倒立摆系统平衡稳定控制，将倒 立摆系统的非线性模型进行近似线性化处理，获得系统在平衡点附近的线性化模型。利用牛顿—欧拉方法建立直线型一级倒立摆系统的数学模型。在分析的基础上，基于状态反馈控制中极点配置法对直线型倒立摆系统设计控制器。由MATLAB仿真表明采用的控制策略是有效的，设计的控制器对直线型一级倒立摆系统的平衡稳定性效果好，提高了系统的干扰能力。
2、极点配置的特点：基于极点配置法对直线型一级倒立摆系统设计的控制器，可使系统在很小振动范围内保持平衡，稳态时摆杆与垂直方向的夹角变化小于0.1弧度，系统稳定时间约为3 S。 （二）控制器仿真设计：
（1）设计要求：要求系统具有较短的调整时间（约3秒）和合适的阻尼（阻尼比ζ= 0.5-0.7）。
(2)以小车加速度作为输入的系统状态方程：
(3)调试程序图
（4）求出K=[-159.09 -110.98 288.16 52.66]
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（三）实际系统运行分析：?
输入K=[-159.09 -110.98 288.16 52.66],确定零点和极点，经调试，摆杆运行稳定。
一级倒立摆系统实际状态空间极点配置控制控制simulink图：
最终结果图：
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七、 收获、体会
随着科学技术发展的日新月异，MATLAB已成为当今应用软件中空前活跃的领域，在生活中的应用可以说是无处不在，因此掌MATLAB
这个软件基本的使用方法对我们是十分有益的。MATLAB可用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。当然，MATLAB也可以用对反馈系统进行校正。
回顾此次实践的整个过程，虽然只有短短的2周，但是真的在这个自己独立学习的过程中学到了好多东西。课程设计开始阶段比较顺利，但是做到计算校正后系统的时域性能指标这里时，遇到了不小麻烦，不会用MATLAB编程得阶跃响应曲线。后来，在同学的帮助下，终于看懂了课件了的那段程序。这次的课程设计，不仅让我们更好的更深一步的了解MATLAB这个十分有用的软件，也能运用它对某一电路图进行仿真，与理论上相结合，从而进一步验证理论的正确性，也是理论运用于实践的很好的证明。与此同时，通过此次课程设计，加深了系统进行设计过程的理解，还掌握了用MATLAB编程计算系统时域性能指标和系统幅值裕量、相位裕量的方法。总而言之，这次的课程设计的确让我受益匪浅，还让我把许多新知识尽收囊中。
经过为期一周的课程设计，我们收获良多，感触颇深。特别是在团队的合作过程中，共同寻找解决问题的方法、技巧，在不断地摸索，尝试，失败再重新爬起的过程中，我们学到了很多设计数字控制系统的思想与方法，使我们平时在课堂上所学到的知识不再是‘纸上谈兵’，而是真正的有了应用的价值，并且将所学到的多门专业课融会贯通，将这些课程联系起来，真正的做到了理论和实际相结合，这不仅使我们加深巩固了所学到的知识，更重要的是让我们明白了这些知识的应用所在，并最终转化我们所掌握的专业技能。除此之外，我们还掌握了很多新的知识，掌握了MATLAB的应用。
在整个课程设计的过程中，最重要的是两点，团队协作以及解决问题的能力。作为一个团体，我们从最初的查阅资料，控制器的设计，到后期的调试，仿真，每一个步骤都是协作完成，虽然会有分歧，但在集体的讨论中找到最佳方案就是我们的成功所在。设计等整个过程中最困难的就是调试，失败了无数次，每次信心满满，但结果却仍旧不尽人意，这难免是考验我们耐心的关键时刻。在不断地修改，仿真，修改，仿真的过程中，我们收获的不仅仅是最后的设计成果。当然，经验不足的我们设计上还有很多的不足，这都有待于不断地学习，锻炼，日后的不断深造。
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八、 参考文献
[1 ] 张东军,丛爽. 倒立摆控制系统研究综述. 控制工程2003 [2 ] 李晓燕. 平面一级倒立摆系统的智能控制策略研究.山西:太原理工大学,2005
[3 ]白金, 韩俊伟. 基于MA TLAB?S imulink 环境下的P ID 参数整定. 哈尔滨商业大学学报, 2007
[ 4 ]何东健, 刘忠超, 范灵燕. 基于MA TLAB 的P ID 控制器参数整定及仿真. 西安科技大学学报, 2006
[5 ]张静. MA TLAB 在控制系统中的应用. 北京: 电子工业出版社, 2007
[6 ]谢克明.自动控制原理. 北京: 电子工业出版社,2009
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