PID控制控制系統(tǒng)的Simulink仿真分析

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：MATLAB語言與控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：PID控制系統(tǒng)的Simulink仿真分析專業(yè)班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：指導(dǎo)教師：日期：機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心注：1、請(qǐng)實(shí)驗(yàn)學(xué)生及指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)前做實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備使用登記；2、請(qǐng)各位學(xué)生大致按照以下提綱撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可續(xù)頁；3、請(qǐng)指導(dǎo)教師按五分制(優(yōu)、良、中、及格、不及格)給出報(bào)告成績；4、課程結(jié)束后，請(qǐng)將該實(shí)驗(yàn)報(bào)告上交機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心存檔。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)1 .掌握PID控制規(guī)律及控制器實(shí)現(xiàn)。2 掌握用Simulink建立PID控制器及構(gòu)建系統(tǒng)模型與仿真方法。二、實(shí)驗(yàn)原理和方法在模擬控制系統(tǒng)中，控制器中最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制器

2、是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差。PID控制規(guī)律寫成傳遞函數(shù)的形式為G(s)二E二K(1+丄+Ts)二K+K+KsU(s)pTsdpsdi式中，KQ為比例系數(shù)；K為積分系數(shù)；K為微分系數(shù)；T=K為積分時(shí)間常數(shù);PidiKiT=K為微分時(shí)間常數(shù)；簡單來說，PID控制各校正環(huán)節(jié)的作用如下：dKp(1)比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。2)積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)T,T越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。ii（3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信

3、號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。三、實(shí)驗(yàn)使用儀器設(shè)備（名稱、型號(hào)、技術(shù)參數(shù)等）計(jì)算機(jī)、MATLAB軟件四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（步驟）1在MATLAB命令窗口中輸入“simulink"進(jìn)入仿真界面。2、構(gòu)建PID控制器（1）新建Simulink模型窗口（選擇"File/New/Model”）,在SimulinkLibraryBrowser中將需要的模塊拖動(dòng)到新建的窗口中根據(jù)PID控制器的傳遞函數(shù)構(gòu)建出如下模型：各模塊如下：MathOperations模塊庫中的Gain模塊，它是增益。拖到模型窗口中后，雙擊模塊，在彈出的對(duì)話框中將

4、Gain'分別改為Kp、Ki'、Kd'，表示這三個(gè)增益系數(shù)。Continuous模塊庫中的Integrator模塊，它是積分模塊；Derivative模塊，它是微分模塊。MathOperations模塊庫中的Add模塊,它是加法模塊，默認(rèn)是兩個(gè)輸入相加，雙擊該模塊，將ListofSigns'框中的兩個(gè)加號(hào)（+）后輸入一個(gè)加號(hào)（+）,這樣就改為了三個(gè)加號(hào)，用來表示三個(gè)信號(hào)的疊加。Ports&Subsystems模塊庫中的In1模塊（輸入端口模塊）和Out1模塊（輸出端口模塊）。（2）將上述結(jié)構(gòu)圖封裝成PID控制器。 創(chuàng)建子系統(tǒng)。選中上述結(jié)構(gòu)圖后再選擇模型窗

5、口菜單“Edit/CreatSubsystem” 封裝。選中上述子系統(tǒng)模塊，再選擇模型窗口菜單“Edit/MaskSubsystem” 根據(jù)需要，在封裝編輯器對(duì)話框中進(jìn)行一些封裝設(shè)置，包括設(shè)置封裝文本、對(duì)話框、圖標(biāo)等。本次試驗(yàn)主要需進(jìn)行以下幾項(xiàng)設(shè)置：Icon（圖標(biāo)）項(xiàng)：“Drawingcommands”編輯框中輸入“disp（PID'）”，如下左圖示：Parameters（參數(shù)）項(xiàng)：創(chuàng)建Kp,Ki,Kd三個(gè)參數(shù)，如下右圖示:嫌Maskeditor:SubsystemIconParameters|InitializationDocumentationEvaluateTunableDial

6、ogparameterskpkpeditkikieditpkdkdeditpPromptVariableTypeUnmaskOKOptionsforselectedparameterPopups(oneperline):Indialog:1Showpa破EnableparDialog_Icallback:至此，PID控制器便構(gòu)建完成，它可以像Simulink自帶的那些模塊一樣，進(jìn)行拖拉，或用于創(chuàng)建其它系統(tǒng)。3、搭建一單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：回RID100%FileEditViewSimulationFormatToolsHelpDoSQa|io.o顧爲(wèi)I三|爭囲圃喜to馬zhanglin

7、g2Sm-p-Eode4510的）*03DSubsystEE所需模塊及設(shè)置：Sources模塊庫中Step模塊；Sinks模塊庫中的Scope模塊;CommonlyUsedBlocks模塊庫中的Mux模塊；Continuous模塊庫中的LJZero-Pole模塊。Step模塊和Zero-Pole模塊設(shè)置如下:BlockParameters:Step-StepOutput且step.ParaneteTESteptine:碩InteipietvectcnparazieterEas1D兩Enable-zeiccicsEindetectionOKICancelIHelpHBlockParameters

8、:Zero-PoleZere-Pole-Matrizezpre-EEicn£dtzs-tde.Ve-DtsrezprsEEicnfozp-dIbeandain.OutputwidthequeIethenuzDterofoolimnsinzs-tdesatriSjqtoneifzeiEisavector.Faramtere;ZSTDE:Poles:|Z-L2-3-4Gain:Absolut已tDleianse-:auto-4、構(gòu)建好一個(gè)系統(tǒng)模型后，就可以運(yùn)行，觀察仿真結(jié)果。運(yùn)行一個(gè)仿真的完整過程分成三個(gè)步驟:設(shè)置仿真參數(shù)、啟動(dòng)仿真和仿真結(jié)果分析。選擇菜單"Simulation

9、/ConfiurationParameters”，可設(shè)置仿真時(shí)間與算法等參數(shù)，如F圖示：其中默認(rèn)算法是ode45(四/五階龍格-庫塔法)，適用于大多數(shù)連續(xù)或離散系統(tǒng)。5、雙擊PID模塊，在彈出的對(duì)話框中可設(shè)置PID控制器的參數(shù)Kp,Ki,Kd:BlockParameters:SubsystemiSubsystezi(maskjParazieteTEkp0K|C：=lTli：h1Help|Apply設(shè)置好參數(shù)后，單擊“Simulation/Start”運(yùn)行仿真，雙擊Scope示波器觀察輸出結(jié)果，并進(jìn)行仿真結(jié)果分析。比較以下參數(shù)的結(jié)果：(1) Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4(2) Kp=

10、6.7,Ki=2,Kd=2.5（3）Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.76、以Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4這組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，改變其中一個(gè)參數(shù)，固定其余兩個(gè)，以此來分別討論Kp,Ki,Kd的作用。7、分析不同調(diào)節(jié)器下該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（1）P調(diào)節(jié)Kp=8（2）PI調(diào)節(jié)Kp=5,Ki=2（3）PD調(diào)節(jié)Kp=8.5,Kd=2.5（4）PID調(diào)節(jié)Kp=7.5,Ki=5,Kd=3程序及運(yùn)行結(jié)果如下（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.42)Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.53)Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.76、以Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4這組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，改

11、變其中一個(gè)參數(shù)，固定其余兩個(gè)，以此來分別討論Kp,Ki,Kd的作用。先改變kp的值，其余兩個(gè)不變，分為兩組，第一組是kp的值小于8.5，第二組是kp的值大于8.5.此處的值都是任意取得，kp1=7.2.kp2=9.41)Kp=7.2Ki=5.3,Kd=3.4別BlockParameters:Subsystem2)Kp=9.4,Ki=5.3,Kd=3.4改變ki的值，其余兩個(gè)不變，分為兩組，第一組是ki的值小于5.3，第二組是ki的值大于5.3.此處的值都是任意取得，ki1=4.7.ki2=6.13)Kp=8.5,Ki=4.7,Kd=3.44)Kp=8.5,Ki=6.1,Kd=3.4BlockP

12、arameters:SubsystemSubsyEtsiD(zaaskParazaetexekpkiI5'1kd麗改變kd的值，其余兩個(gè)不變，分為兩組，第一組是kd的值小于3.4，第二組是kd的值大于34此處的值都是任意取得，kd1=2.6.kd2=4.75)Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=2.66)Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=4.77、分析不同調(diào)節(jié)器下該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（1）P調(diào)節(jié)Kp=8BlockParameters:SubsystemSubEJEtSZi(uaEk；Parapetexekp2)PI調(diào)節(jié)Kp=5,Ki=23)PD調(diào)節(jié)Kp=8.5,Kd=2.54)PID調(diào)節(jié)Kp=7.5,Ki=5,Kd=3OKSubsystezDtsaskC：=ltlch1虹plyBlockParameters:SubsystemParazietexEFlScape,>=>回S1=3|PAH01.41.210.80.60.40.20051015Timeoffset:0五結(jié)論總結(jié)PID調(diào)節(jié)的基本特點(diǎn)pid調(diào)節(jié)即為比例，積分，微分調(diào)節(jié)Kp為比例參數(shù)，主要是用于快速調(diào)節(jié)誤差；Ki為積分參數(shù)，主要是用于調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)時(shí)間；Kd為微分參數(shù)，主要是用于預(yù)測誤差趨勢，提前修正誤差。隨著kp,ki,kd減