基于MATLAB的直線一級(jí)倒立擺仿真系統(tǒng)研究

1、科研訓(xùn)練結(jié)題報(bào)告名稱(chēng)：基于MATLAB勺直線一級(jí)倒立擺仿真系統(tǒng)研究小組成員：指導(dǎo)教師:關(guān)于一節(jié)倒立擺系統(tǒng)的研究，有著各種各樣方式予以仿真并研討，其中MATLA進(jìn)行研究成為越來(lái)越大眾研究方式。倒立擺控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、不穩(wěn)定的、非線性系統(tǒng)。倒立擺的控制問(wèn)題就是使擺桿盡快地達(dá)到一個(gè)平衡位置，并且使之沒(méi)有大的振蕩和過(guò)大的角度和速度。本次設(shè)計(jì)就是針對(duì)直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)進(jìn)行研究。運(yùn)用MATLABt的Simulink仿真工具，建立起直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)仿真模型進(jìn)行封裝及添加PID控制器，使最終的仿真一一控制模型能夠符合設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵字MATLAB軟件；倒立擺系統(tǒng)；PID控制器；封裝子系統(tǒng)T

2、itleResearchonsimulationsystemoflinearsingleinvertedpendulumbasedonMATLABAbstractTheresearchonaninvertedpendulumsystemhasbeensimulatedandstudiedinavarietyofways,amongwhich,MATLABhasbecomeanincreasinglypopularresearchmethod.Invertedpendulumcontrolsystemisacomplex,unstable,non-linearsystem.Invertedpen

3、dulumcontrolproblemistomakethependulumassoonaspossibletoreachabalanceposition,andsothereisnolargeoscillationandexcessiveangleandspeed.Thisdesignisforastraightlineinvertedpendulumsystemforresearch.ThesimulationmodeloftheinvertedinvertedpendulumisestablishedbyusingtheSimulinksimulationtoolinMATLAB.The

4、simulationmodelisencapsulatedandthePIDcontrollerisaddedtomakethefinalsimulation-controlmodelmeetthedesignrequirements.KeywordsMATLABsoftware;invertedpendulumsystem;PIDcontroller;packagesubsystem TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark5 o Current Document .直線一級(jí)倒立擺問(wèn)題簡(jiǎn)介6 HYPERLINK l bookmark7 o Current Docu

5、ment 背景簡(jiǎn)介1116 HYPERLINK l bookmark9 o Current Document 1.2軟件特性6設(shè)計(jì)要求分析7.數(shù)學(xué)模型的成立7倒立擺受力分析7 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 微分方程的推導(dǎo)910Simulink仿真簡(jiǎn)介10 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 第一次模型搭建12 HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 二次模型搭建13 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document

6、二次模型優(yōu)化141521 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 封裝子系統(tǒng)簡(jiǎn)介21封裝子系統(tǒng)設(shè)置22 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document .PID操縱22 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document PID操縱理論22 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 基于SIMULINK勺PID操縱器設(shè)計(jì)25 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document PID參數(shù)的確信27 HYPERL

7、INK l bookmark39 o Current Document .功效匯總與分析347.體會(huì)總結(jié)與心得體會(huì)35參考文獻(xiàn)35.直線一級(jí)倒立擺問(wèn)題簡(jiǎn)介背景簡(jiǎn)介111倒立擺操縱系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、不穩(wěn)固的、非線性系統(tǒng)，是進(jìn)行操縱理論教學(xué)及開(kāi)展各類(lèi)操縱實(shí)驗(yàn)的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)倒立擺系統(tǒng)的研究能有效的反映操縱中的許多典型問(wèn)題：如非線性問(wèn)題、魯棒性問(wèn)題、鎮(zhèn)定問(wèn)題、隨動(dòng)問(wèn)題和跟蹤問(wèn)題等。通過(guò)對(duì)倒立擺的操縱，用來(lái)查驗(yàn)新的操縱方式是不是有較強(qiáng)的處置非線性和不穩(wěn)固性問(wèn)題的能力。倒立擺的操縱問(wèn)題確實(shí)是使擺桿盡快地達(dá)到一個(gè)平穩(wěn)位置，而且使之沒(méi)有大的振蕩和過(guò)大的角度和速度。當(dāng)擺桿抵達(dá)期望的位置后，系統(tǒng)能克服隨機(jī)擾動(dòng)

8、而維持穩(wěn)固的位置。倒立擺是機(jī)械人技術(shù)、操縱理論、運(yùn)算機(jī)操縱等多個(gè)領(lǐng)域、多種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，具被控系統(tǒng)本身又是一個(gè)絕對(duì)不穩(wěn)固、高階次、多變量、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，能夠作為一個(gè)典型的操縱對(duì)象對(duì)其進(jìn)行研究。倒立擺系統(tǒng)作為操縱理論研究中的一種比較理想的實(shí)驗(yàn)手腕，為自動(dòng)操縱理論的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研構(gòu)建一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以用來(lái)查驗(yàn)?zāi)撤N操縱理論或方式的典型方案，增進(jìn)了操縱系統(tǒng)新理論、新思想的進(jìn)展。由于操縱理論的普遍應(yīng)用，由此系統(tǒng)研究產(chǎn)生的方式和技術(shù)將在半導(dǎo)體及周密儀器加工、機(jī)械人操縱技術(shù)、人工智能、導(dǎo)彈攔截操縱系統(tǒng)、航空對(duì)接操縱技術(shù)、火箭發(fā)射中的垂直度操縱、衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)操縱和一樣工業(yè)應(yīng)用等方面具有廣漠的

9、利用開(kāi)發(fā)前景。倒立擺已經(jīng)由原先的直線一級(jí)倒立擺擴(kuò)展出很多種類(lèi)，典型的有直線倒立擺環(huán)形倒立擺，平面倒立擺和復(fù)合倒立擺等，本次實(shí)驗(yàn)采納的是直線一級(jí)倒立擺。.2軟件特性倒立擺的形式和結(jié)構(gòu)各異，但所有的倒立擺都具有以下的特性1）非線性2）不確信性3）耦合性4）開(kāi)環(huán)不穩(wěn)固性5）約束限制倒立擺操縱器的設(shè)計(jì)是倒立擺系統(tǒng)的核心內(nèi)容，因?yàn)榈沽[是一個(gè)絕對(duì)不穩(wěn)固的系統(tǒng)，為使其維持穩(wěn)固而且能夠經(jīng)受必然的干擾，需要給系統(tǒng)設(shè)計(jì)操縱器，本小組采納的操縱方式有：PID操縱。設(shè)計(jì)要求分析通過(guò)對(duì)倒立擺系統(tǒng)的原始模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，開(kāi)展了操縱特性分析和可控性研究，提出合理的操縱策略和高精度操縱算法設(shè)計(jì)的研究方案。在咱們的方案中通過(guò)

10、pid操縱器實(shí)現(xiàn)將誤差的比例，積分，和微分通過(guò)線性組合組成操縱量，對(duì)要運(yùn)行的對(duì)象進(jìn)行操縱。同時(shí)運(yùn)用封裝子系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行讀單獨(dú)的包裝進(jìn)而實(shí)現(xiàn)參數(shù)的修改更為方便，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不易被修改。2.數(shù)學(xué)模型的成立倒立擺受力分析在忽略了空氣阻力，各類(lèi)摩擦以后，可將直線一級(jí)倒立擺系統(tǒng)抽象成小車(chē)和勻質(zhì)桿組成的系統(tǒng)，如以下圖所示。圖3.4圖2直纓fW封罷系統(tǒng)咱們不妨做以下假設(shè):M為小車(chē)質(zhì)量、m為擺桿質(zhì)量、b為小車(chē)摩擦系數(shù)、1為擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到桿質(zhì)心的長(zhǎng)度、I為擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、F為加在小車(chē)上的力、x為小車(chē)位置、為擺桿與垂直向上方向的夾角、為擺桿與垂直向下方向的夾角（考慮到擺桿初始位置為豎直向下）。以下圖是系統(tǒng)中小車(chē)和擺桿

11、的受力分析圖。N(a)小車(chē)隔離受力圖(b)擺桿隔離受力圖其中，N和P為小車(chē)與擺桿彼此作使勁的水平和垂直方向的分量。注意：在實(shí)際倒立擺系統(tǒng)中檢測(cè)和執(zhí)行裝置的正負(fù)方向已經(jīng)完全確信，因此矢量方向概念如下圖，圖示方向?yàn)槭噶空较颍何⒎址匠痰耐茖?dǎo)在SIMULINK中對(duì)該模型建模是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樾≤?chē)和擺桿之間的是物理約束(較接)，這減少了系統(tǒng)的自由度。小車(chē)和擺桿都具有一個(gè)自由度(別離是x和)。咱們將運(yùn)用牛頓第二運(yùn)動(dòng)定理(Fma)來(lái)對(duì)這兩個(gè)自由度成立微分方程，如下所示。MxFbxN(1)INlsin/2PlsinNlcosPlsin為了成立完整的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，方程中必然包括下車(chē)和擺桿間的彼此作使勁N和p

12、。通常，咱們是利用仿真軟件的建模能力來(lái)解決該代數(shù)問(wèn)題的。因此，咱們將成立擺桿x和y分量的方程，如下所示。mxpN(3)mypPmg(4)由于位置坐標(biāo)w和嚴(yán)是的精準(zhǔn)函數(shù)，因此咱們用含有導(dǎo)數(shù)的式子來(lái)表示它們的導(dǎo)數(shù)。 TOC o 1-5 h z xpxlcos/2xlsin（5）yplsin/2lcos（6）xpxlcosyplsin（8）2xpxlcoslsin（9）2yplsinlcos（10）最后把以上方程代入之前求出的N和P的方程中，取得如下形式的方程：2Nmxlsinlcos（11）2Pmlcoslsing（12）注：在模型中，以Nx表示N,以Ny表示P。止匕亥IJ咱們能夠在SIMULIN

13、K中表示這些方程了。由于SIMULINK能夠直接求解非線性方程，因此沒(méi)有必要再對(duì)方程進(jìn)行線性化處置了。Simulink仿真簡(jiǎn)介【2】Simulink是一種強(qiáng)有力的仿真工具，它能讓利用者在圖形方式下以最小的代價(jià)來(lái)模擬真實(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行。Simulink預(yù)備有數(shù)百種福概念的系統(tǒng)環(huán)節(jié)模型、最先進(jìn)的有效積分算法和直觀的圖示化工具。依托Simulink強(qiáng)健的仿真能力，用戶在原型機(jī)制造之前就可成立系統(tǒng)的模型，從而評(píng)估設(shè)計(jì)并修復(fù)瑕疵。Simulink具有如下的特點(diǎn)：成立動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真。Simulink是一種圖形化的仿真工具，用于對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和操縱規(guī)律的研究制定。由于支持線性、非線性、持續(xù)、離散、

14、多變量和混合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，Simulink幾乎可分析任何一種類(lèi)型的真實(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。以直觀的方式建模。利用Simulink可視化的建模方式，可迅速地成立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的框圖模型。只需在Simulink元件庫(kù)當(dāng)選出適合的模塊并施放到Simulink建模窗口，鼠標(biāo)點(diǎn)擊持續(xù)就能夠夠了。Simulink標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)擁有超過(guò)150中，可用于組成各類(lèi)不同種類(lèi)的動(dòng)態(tài)模型系統(tǒng)。模塊包括輸入信號(hào)源、動(dòng)力學(xué)元件、代數(shù)函數(shù)和非線性函數(shù)、數(shù)據(jù)顯示模塊等。Simulink模塊能夠被設(shè)定為觸發(fā)和使能的，用于模擬大模型系統(tǒng)中存在條件作用的子模型的行為。（3）增添定制模塊元件和用戶代碼。Simulink模塊庫(kù)是可制定的，能夠擴(kuò)展以包容用戶自概

15、念的系統(tǒng)環(huán)節(jié)模塊。用戶也能夠修改已有模塊的圖標(biāo)，從頭設(shè)定對(duì)話框，乃至換用其他形式的彈出菜單和復(fù)選框。Simulink許諾用戶吧自己編寫(xiě)的C、FORTRANAda代碼直接植入Simulink模型中。4）快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬。Simulink優(yōu)秀的積分算法給非線性系統(tǒng)仿真帶來(lái)了極高的精度。先進(jìn)的常微分方程求解器可用于求解剛性和非剛性的系統(tǒng)、具有時(shí)刻觸發(fā)或不持續(xù)的系統(tǒng)和具有代數(shù)環(huán)的系統(tǒng)。Simulink的求解器能確保持續(xù)系統(tǒng)或離散系統(tǒng)的仿真速度、準(zhǔn)確地進(jìn)行。同時(shí)，Simulink還未用戶預(yù)備一個(gè)圖形化的調(diào)試工具，以輔助用戶進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。5）分層次的表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)。Simulink的分級(jí)建模能力使得

16、體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型構(gòu)建也簡(jiǎn)便易行。依照需要，各類(lèi)模塊能夠組織成假設(shè)干子系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，整個(gè)系統(tǒng)能夠依照自定向下或自底向上的方式搭建。子模型的層次數(shù)量完全取決于所構(gòu)建的系統(tǒng)，不受軟件本身的限制。為方便大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的操作Simulink還提供了模型結(jié)構(gòu)閱讀的功能。6）交互式的仿真分析。Simulink的示波器能夠動(dòng)畫(huà)和圖像顯示數(shù)據(jù)，運(yùn)行中可調(diào)整模型參數(shù)進(jìn)行What-if分析，能夠在仿真運(yùn)算進(jìn)行時(shí)監(jiān)視仿真結(jié)果。這種交互式的特點(diǎn)能夠幫忙用戶快速的評(píng)估不同的算法，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。由于Simulink完全集成于MATLAB在Simulink下計(jì)算的結(jié)果能夠保留到MATLABC作空間當(dāng)中，因此就能

17、夠利用MATLA所具有的眾多分析、可視化及工具箱工具操作數(shù)據(jù)?；谏鲜鼍壒?，本次科研訓(xùn)練，咱們小組在教師的建議下，選擇了Simulink作為咱們這次搭建模型的工具。能夠說(shuō)，Simulink專(zhuān)門(mén)好的知足了咱們這次的設(shè)計(jì)要求，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)步驟，提高了咱們的工作效率。而且，在半途的調(diào)試，最終輸出仿真結(jié)果時(shí)，Simulink都呈現(xiàn)出了更為優(yōu)秀的成效。第一次模型搭建由于對(duì)Simulink中的各類(lèi)模塊了解的不夠，進(jìn)行第一次模型搭建時(shí)，并無(wú)能夠找到適合的方式來(lái)表達(dá)微分方程。因此第一次搭建的模型只用了最基礎(chǔ)的SumGain、Product、Integrator等模塊。盡管沒(méi)有顯現(xiàn)大的過(guò)失，可是仿真系統(tǒng)超級(jí)原始，

18、仿真的效率不高，精度也難以評(píng)定。這種大量運(yùn)用這些模塊的后果，確實(shí)是整個(gè)模型看起來(lái)超級(jí)混亂，給后期的整理、檢查和修改增添了專(zhuān)門(mén)大的難度。而且這種模型調(diào)試改良的空間也不大，不具有有效價(jià)值。因此最終咱們并無(wú)將那個(gè)模型作為咱們最終模型的基礎(chǔ)，也沒(méi)有浪費(fèi)時(shí)刻去運(yùn)行調(diào)試那個(gè)模型，而是僅僅通過(guò)搭建該模型來(lái)鍛煉依照微分方程搭建模型，熟悉Simulink工作環(huán)境，美化模塊布局的能力。二次模型搭建有了第一次搭建模型的體會(huì)和教訓(xùn)后，面對(duì)這一次的模型搭建咱們做好了更為充分的預(yù)備。在加倍深切的了解了Simulink模塊庫(kù)中的各個(gè)模塊的功用后，咱們決定選擇Fcn與Mux模塊作為主體來(lái)表達(dá)微分方程。在變量的概念上，把原先容

19、易在Simulink中引發(fā)歧義的角度“fi”和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量“I”改成用角度theta”和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量“J”來(lái)代替。如此不僅可不能再混淆變量，還能夠讓原先的微分方程式看起來(lái)更為整潔。由于運(yùn)用了Fcn模塊和Mux模塊，模型看起來(lái)加倍的簡(jiǎn)練明了，便于后續(xù)的檢查與修改。四100%cidc45Ready這次的模型的搭建比較成功，完善的表達(dá)出了各個(gè)微分公式的結(jié)構(gòu)，可是沒(méi)有考慮到施加力的脈沖信號(hào)如何生成和輸入，參數(shù)的設(shè)置也只能靠在代碼區(qū)輸入代碼來(lái)添加到工作區(qū)中，應(yīng)用和調(diào)整都有諸多不便。二次模型優(yōu)化關(guān)于上一次模型，咱們能夠確信它在仿真時(shí)完成任務(wù)，可是對(duì)數(shù)據(jù)的輸入輸出的顯示、調(diào)試及修改比較不友好。另外咱們需要考慮如何生

20、成一個(gè)力的脈沖信號(hào)來(lái)模擬對(duì)倒立擺施加擾動(dòng)。通過(guò)試探、實(shí)踐，咱們最終選用兩個(gè)Step模塊相減來(lái)來(lái)生成一個(gè)里的脈沖信號(hào)。用如此的方式，咱們能夠很方便的調(diào)劑脈沖信號(hào)的大小和作歷時(shí)刻，達(dá)到咱們想要的擾動(dòng)成效。為了更方便調(diào)試模型和檢查仿真結(jié)果，加入Scope模塊來(lái)對(duì)x和theta進(jìn)行監(jiān)視。相較于上一個(gè)模型，這次的模型無(wú)疑是加倍容易利用了。考慮到模型完成后需要進(jìn)行封裝，之前直接在工作區(qū)內(nèi)為各個(gè)參數(shù)賦值不可取，也不能很方便地對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改。因此咱們決定，在模型中引入Constant模塊，來(lái)將各個(gè)參數(shù)導(dǎo)入它們參與的微分方程中，如此既使得賦值和修改加倍的簡(jiǎn)單和快捷了，也可不能對(duì)封裝和操縱造成困擾。theta角度

21、的初值theta0的設(shè)置方式也需要進(jìn)行調(diào)整，由在積分器模塊中設(shè)置，變更為在積分器打開(kāi)的初值端口出鏈接一個(gè)Constant模塊進(jìn)行設(shè)置。另外為了顯示起來(lái)加倍簡(jiǎn)單直觀，也為了進(jìn)行PID操縱時(shí)加倍方便，仍是決定將theta減去pi變成fi以后再輸出到子系統(tǒng)之外。最終模型參數(shù)：小車(chē)質(zhì)量M=1kg；擺桿質(zhì)量m=0.4kg；小車(chē)摩擦系數(shù)b=0.2N/sec；擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸心到桿質(zhì)心的長(zhǎng)度l=0.3m；擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I（模型圖中表示為J）=1kgm2;加在小車(chē)上的力F；x為小車(chē)位置；為擺桿與垂直向上方向的夾角（考慮到擺桿初始位置為豎直向上）；為擺桿與垂直向上方向的夾角（考慮到擺桿初始位置為豎直向上）。四個(gè)FCW奠

22、塊:xddoti*liFunctionKlockParameters:xddotXFen-1-51#G&n.eralestpressianblack.Tsetiisth巨inputvaria.blenaite.Example：sin(u(1)*e町(2.3*(n)FauanetersExpression:(1/u)(u(1】-u()uC5)植)Samplelinie(-1foriahrit&d);JK71thetaddot*dFunctionBlockParameters!thetaddotFenescpressianblack.Usetiisth巨inputvariablenaite,Eka

23、mple：sin(u(1)*曰町3趾(n)FaranetersExpression:71/uf4fj*(f(1)奉1:口寫(xiě)(u(3)u(2)本u5】(u(3)SampleTime(-1iacinlitrited);OK | CaneeL HelpApplyNx(N)FunctionBlockParameters:Njt(N)XFenG&n&rAlesepressianblack.Use廿istheinputvaria.blenadta.Ekample：sin(n(1)1eKp(2.3*=(-n(2)FauanetersExpression;ll(5)Cufl】hi(221uf6)*P0(u4)

24、j-nGBT*ulSliutO15in(uC()Sampletime(-1foriiiherit&d):-1Ny(P)FunctionBlockParametersihjy(PFenCenerAleirpressianblack.Use廿istheinputvariableEL3dta.Example：sin(u(I)*esp(2,3*(-n(2)FauanetersExpression:口)*Cu(5j帕(llqmi門(mén)Cu(3)J+uC5)楨(2)審口()#匚口3(刀(3)】tuC4j)SampleTime(-1fori&號(hào)ritd);-1OKCaneelHelpApply以下各圖中，橫坐標(biāo)

25、為時(shí)刻t,單位為s縱坐標(biāo)從上至下依次為外力F、位移x、擺桿與豎直方向夾角小，單位別離為N、mirad。NQfE6弋啟。gqI4+f日弋u從仿真的成效來(lái)看，最終的模型能夠?qū)ｉT(mén)好地模擬倒立擺的平穩(wěn)狀態(tài)（圖1）,受到輕微擾動(dòng)后的運(yùn)動(dòng)（圖2）和初始狀態(tài)擺桿有微小傾角的運(yùn)動(dòng)（圖3）倒立擺系統(tǒng)的仿真工作圓滿完成。封裝子系統(tǒng)簡(jiǎn)介（1）子系統(tǒng)的封裝的意義子系統(tǒng)封裝技術(shù)能夠讓一個(gè)子系統(tǒng)有自己的特點(diǎn)。封裝后的子系統(tǒng)能夠有自己的圖標(biāo)、自己的參數(shù)和具有功能描述的操縱對(duì)話框，乃至自己的help文檔,同時(shí)參數(shù)的修改更為方便（不用深切子系統(tǒng)，只需在對(duì)話框中修改即可），內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不易被修改。2）什么是子系統(tǒng)的封裝所謂子系統(tǒng)的

26、封裝，確實(shí)是為子系統(tǒng)定制對(duì)話框和圖標(biāo)，使子系統(tǒng)本身有一個(gè)獨(dú)立的操作界面，把子系統(tǒng)中的各模塊的參數(shù)對(duì)話框合成一個(gè)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在利歷時(shí)沒(méi)必要打開(kāi)每一個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如此使子系統(tǒng)的利用加倍方便。子系統(tǒng)的封裝進(jìn)程很簡(jiǎn)單，先選中所要封裝的子系統(tǒng)，再選擇模型編輯窗口Edit菜單中的Masksubsystem命令，這時(shí)將顯現(xiàn)封裝編輯器（MaskEditor）對(duì)話框。MaskEditor對(duì)話框中共包括4個(gè)選項(xiàng)卡：Icon、Parameters、Initialization和Documentation。子系統(tǒng)的封裝要緊確實(shí)是對(duì)這4頁(yè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。封裝子系統(tǒng)設(shè)置Simulink子系統(tǒng)有兩種方式：（1）對(duì)已

27、經(jīng)存在的模型的某些部份或全數(shù)利用菜單命令【EditCreatSubsystem】將你性緊縮轉(zhuǎn)換，使之成為子系統(tǒng)；（2）利用Subsystems模塊庫(kù)中的Subsystem模塊直接創(chuàng)建子系統(tǒng)。Simulink子系統(tǒng)的兩種作用：系統(tǒng)模型加倍簡(jiǎn)捷和可讀性高；（2）子系統(tǒng)能夠反復(fù)挪用，節(jié)省建模時(shí)刻。5.PID操縱PID操縱理論【3】現(xiàn)今的閉環(huán)自動(dòng)操縱技術(shù)都是基于反饋的概念以減少不確信性。反饋理論的要素包括三個(gè)部份：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)鍵的是被控變量的實(shí)際值，與期望值相較較，用那個(gè)誤差來(lái)糾正系統(tǒng)的響應(yīng)，執(zhí)行調(diào)劑操縱。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為普遍的調(diào)劑器操縱規(guī)律為比例、積分、微分操縱，簡(jiǎn)稱(chēng)PID操縱，又

28、稱(chēng)PID調(diào)劑。PID操縱器（比例-積分-微分操縱器）是一個(gè)在工業(yè)操縱應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件，由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。PID操縱的基礎(chǔ)是比例操縱；積分操縱可排除穩(wěn)態(tài)誤差，但可能增加超調(diào)；微分操縱可加速大慣性系統(tǒng)響應(yīng)速度和減弱超調(diào)趨勢(shì)。那個(gè)理論和應(yīng)用的關(guān)鍵是，做出正確的測(cè)量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。PID（比例（proportion）、積分（integral）、導(dǎo)數(shù)（derivative）操縱器作為最先有效化的操縱器已有近百年歷史，此刻仍然是應(yīng)用最普遍的工業(yè)操縱器。PID操縱器簡(jiǎn)單易懂，利用中不需精準(zhǔn)的系統(tǒng)模型等先決條件，因此成為應(yīng)用最為普遍的操縱器。PID操縱由比例單

29、元（P）、積分單元（I ）和微分單元（D）組成。其輸入e tu tKpe ttKi eo與輸出ut的關(guān)系為Kddeldt因此它的傳遞函數(shù)為:八UsKiG0sKpKdsEss比例（P）操縱比例操縱是種最簡(jiǎn)單的操縱方式。 具操縱器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例操縱時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分（I）操縱在積分操縱中，操縱器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)操縱系統(tǒng)，若是在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，那么稱(chēng)那個(gè)操縱系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。為了排除穩(wěn)態(tài)誤差，在操縱器中必需引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)刻的積分，隨著時(shí)刻的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。如此，即便誤差很小，積分項(xiàng)

30、也會(huì)隨著時(shí)刻的增加而加大，它推動(dòng)操縱器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（pi）操縱器，能夠使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）操縱在微分操縱中，操縱器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的轉(zhuǎn)變率）成正比關(guān)系。自動(dòng)操縱系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)劑進(jìn)程中可能會(huì)顯現(xiàn)振蕩乃至失穩(wěn)。其緣故是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，具轉(zhuǎn)變老是掉隊(duì)于誤差的轉(zhuǎn)變。解決的方法是使抑制誤差的作用的轉(zhuǎn)變“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這確實(shí)是說(shuō)，在操縱器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是

31、“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，如此，具有比例+微分的操縱器，就能夠夠提早使抑制誤差的操縱作用等于零，乃至為負(fù)值，從而幸免了被控量的嚴(yán)峻超調(diào)。因此對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD操縱器能改善系統(tǒng)在調(diào)劑進(jìn)程中的動(dòng)態(tài)特性。PID操縱之因此普遍利用：第一，PID應(yīng)用范圍廣。盡管很多工業(yè)進(jìn)程是非線性或時(shí)變的，但通過(guò)簡(jiǎn)化能夠變成大體線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)刻轉(zhuǎn)變的系統(tǒng)，如此PID就可操縱了。第二，PID參數(shù)較易整定。也確實(shí)是，PID參數(shù)Kp,Ki和想能夠依照進(jìn)程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定。若是進(jìn)程的動(dòng)態(tài)特性轉(zhuǎn)變，例如可能由負(fù)載的轉(zhuǎn)變引發(fā)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性轉(zhuǎn)變，PID參數(shù)就可從頭整定。第三，PID操縱在實(shí)

32、踐中也不斷的取得改良。但仍不可否定PID也有其固有的缺點(diǎn)：PID在操縱非線性、時(shí)變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確信的復(fù)雜進(jìn)程時(shí)，工作地不是太好。最重要的是，若是PID操縱器不能操縱復(fù)雜進(jìn)程，不管怎么調(diào)參數(shù)都沒(méi)用。盡管有這些缺點(diǎn)，PID操縱是最簡(jiǎn)單的有時(shí)卻是最好的操縱方式。目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。同時(shí)，操縱理論的進(jìn)展也經(jīng)歷了古典操縱理論、現(xiàn)代操縱理論和智能操縱理論三個(gè)時(shí)期。自動(dòng)操縱系統(tǒng)可分為開(kāi)環(huán)操縱系統(tǒng)和閉環(huán)操縱系統(tǒng)。一個(gè)操縱系統(tǒng)包括操縱器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。操縱器的輸出通過(guò)輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；操縱系統(tǒng)的被控量，通過(guò)傳感器，變送

33、器，通過(guò)輸入接口送到操縱器。不同的操縱系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力操縱系統(tǒng)要采納壓力傳感器，電加熱操縱系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，PID操縱及其操縱器或智能PID操縱器已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中取得了普遍的應(yīng)用，有各類(lèi)各樣的PID操縱器產(chǎn)品，各大公司均開(kāi)發(fā)了具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)劑器(intelligentregulator)，其中PID操縱器參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整是通過(guò)智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。有利用PID操縱實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位操縱器，能實(shí)現(xiàn)PID操縱功能的可編程操縱器(PLC)，還有可實(shí)現(xiàn)PID操縱的PC系統(tǒng)等等?？删幊滩倏v器(PLC)

34、是利用其閉環(huán)操縱模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)PID操縱，而可編程操縱器（PLQ能夠直接與CONTROLNETS,還有能夠?qū)崿F(xiàn)PID操縱功能的操縱器，它能夠直接與CONTROLNETS,利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程操縱功能。基于SIMULINK勺PID操縱器設(shè)計(jì)第一，關(guān)于倒立擺系統(tǒng)輸出量為擺桿的角度，它的平穩(wěn)位置為垂直向上。系統(tǒng)操縱結(jié)構(gòu)框圖如下：圖5.2-1倒立擺系統(tǒng)操縱結(jié)構(gòu)圖中CS是操縱器傳遞函數(shù)，Ps是被控對(duì)象傳遞函數(shù)考慮到輸入r0,結(jié)構(gòu)圖能夠很容易的變換成:plantcontrollerC，圖5.2-2倒立擺系統(tǒng)操縱結(jié)構(gòu)依照下面的步驟，咱們將成立一個(gè)參考輸入為擺桿角度，擾動(dòng)為作用在小車(chē)上脈沖力的閉環(huán)模型。第一，打開(kāi)之前成立的一階倒立擺的仿真模型從Simulink/Continuous中插入一個(gè)PID操縱器模塊。雙擊修改其中的參數(shù)。按以下圖連接各模塊