PID控制系统的Simulink仿真分析解读

1、西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期:专业班级：学 号：_姓名：实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目：PID控制系统的Simulink仿真分析专业班级： 学 号: 姓 名:指导教师：日 期:机械工程实验教学中心注：1、请实验学生及指导教师实验前做实验仪器设备使用登记；2请各位学生大致按照以下提纲撰写实验报告，可续页；3、请指导教师按五分制(优、良、中、及格、不及格)给出报告成绩；4、课程结束后，请将该实验报告上交机械工程实验教学中心存档。一、实验目的和任务1 .掌握PID控

2、制规律及控制器实现。2掌握用Simulink建立PID控制器及构建系统模型与仿真方法。二、实验原理和方法在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是 PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。PID控制规律写成传递函数的形式为E(s)1KiG(s)心(1TdS)二 KpKdSU (s)TissK式中，Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；Tip为积分时间常数;KiKTd二为微分时间常数；简单来说，PID控制各校正环节的作用如下：Kp(1) 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号， 偏差一旦产生，控制器立即产 生控制作用，以减少偏差。(2) 积分

3、环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。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。(3) 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，减少调节时间。三、实验使用仪器设备(名称、型号、技术参数等)计算机、MATLA软件四、实验内容(步骤)1、在MATLAB命令窗口中输入“ simulink”进入仿真界面。2、构建PID控制器：(1)新建Simulink模型窗口(选择“ File/New/Model”)，在 Simulink Library Browser中将需要的模块拖

4、动到新建的窗口中，根据 PID控制器的 传递函数构建出如下模型：-1-实验成绩： 指导教师： 批改日期： 西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期:专业班级：学 号：_姓名：各模块如下：Math Operations模块库中的Gain模块，它是增益。拖到模型窗口中后，双击模 块，在弹出的对话框中将 Gai n分别改为 Kp 、 Ki、 Kd表示这三个增益 系数。Continuous模块库中的Integrator模块，它是积分模块；Derivative模块，它是微 分模块。Math Operatio

5、ns模块库中的Add模块，它是加法模块，默认是两个输入相加， 双击该模块，将 List of Sig ns框中的两个加号（+）后输入一个加号（+），这样 就改为了三个加号，用来表示三个信号的叠加。Ports & Subsystems模块库中的In1模块（输入端口模块）和 Out1模块（输出端 口模块）。（2）将上述结构图封装成PID控制器。 创建子系统。选中上述结构图后再选择模型窗口菜单“ Edit/Creat Subsystem” 圭寸装。选中上述子系统模块，再选择模型窗口菜单“ Edit/Mask Subsystem 根据需要，在封装编辑器对话框中进行一些封装设置，包括设置封装文本、对话框

6、、图标等。本次试验主要需进行以下几项设置：Ico n （图标）项：“ Drawi ng comma nds” 编辑框中输入“ disp（ PID、”，如下 左图示：Parameters参数）项：创建Kp,Ki,Kd三个参数，如下右图示：实验成绩:指导教师:批改日期： -1-西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期:专业班级：学 号：_姓名：母 Mask editor :Subsystem-1-实验成绩： 指导教师： 批改日期： IconParametersInitializationDocumen

7、tationIcor optionsFrameDrawing comimaridsdispCFID)VisibleTransparencyUnmaskOKCancelHelp嫌 Mask editor :SubsystemIconParametersInitialization Docu mentation列凶ajajPromptVariableTypeEvaluatr Dialog parameters岸TunablekpkpeditklkieditkdkdeditPopups (one per line): In dialog: 7 showparai Enable parDialog c

8、allback:Options for selected parameterUnmaskOKCancelHelpApply至此，PID控制器便构建完成，它可以像Simulink自带的那些模块一样，进行拖拉, 或用于创建其它系统。3、搭建一单回路系统结构框图如下图所示：喇 zhangling2口 丨回 |3所需模块及设置：Sources模块库中Step模块；Sinks模块库中的Scope模块； Commonly Used Blocks 模块库中的 Mux 模块；Continuous模块库中的 Zero-Pole模块。Step模块和Zero-Pole模块设置如下: Block Parameters

9、: StepStepOutput a step.ParStep tise:I OK I Cancel I Mein I 吕 Block Parameters; ZeroPolel 爭Zerc-PoleMatriz expr&azion for zeros. Vector szpreEzicn for poles and gam. Output idth qusl1b the nus.b*T of colimns in zsroa aatriz- dt on叵 if zeros ia a vector.Pararjet srsZeros:Pol粤区2|-1 -2 -3 -4Gain:Absolu

10、t& tolerance zauto4、构建好一个系统模型后，就可以运行，观察仿真结果。运行一个仿真的完整过程 分成三个步骤：设置仿真参数、启动仿真和仿真结果分析。选择菜单“Simulation/Confiuration Parameters，可设置仿真时间与算法等参数，如下图示： 其中默认算法是ode45（四/五阶龙格-库塔法），适用于大多数连续或离散系统。西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期:专业班级：学 号：_姓名：采 CanFiguMliori Param-elers； zha ngl

11、ing2/CoHfigurati&nSiaulHtion iUse-衣DP tisB： 15. DTy吟Kkx c：t*p iiz：Mln. Btep size:Initiale4込:Zer-s- erasEifiE tMtreliSolver:K-f-iB-t ivo- tpTanEfi:Absolute： tfllszafiEi=:Start. tiw-： d.:实验成绩:指导教师:批改日期： -1-I /QKCncla*ipApply5、双击PID模块，在弹出的对话框中可设置 PID控制器的参数Kp,Ki,Kd :rH Block Parameters： SubsystemParamet

12、er* icpOKCancelHlpApply设置好参数后，单击“ Simulation/Start”运行仿真，双击Scope示波器观察输出 结果，并进行仿真结果分析。比较以下参数的结果：（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4（2）Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.5（3）Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.7&以Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4这组数据为基础，改变其中一个参数，固定其余两个， 以此来分别讨论Kp,Ki,Kd的作用。7、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线(1) P 调节 Kp=8(2) PI 调节 Kp=5,Ki=2(3) PD 调节 Kp=8.5,Kd=2

13、.5(4) PID 调节 Kp=7.5,Ki=5,Kd=3程序及运行结果如下（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告实验日期回冋& 31实验成绩指导教师批改日期2)Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.5E3 B AScop 亡P P P课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simulink仿真分析专业班级：学 号： 姓 名：525152080415510Time offset：西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告实验日期:课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simulink仿真分析专业班级

14、：学 号： 姓 名：U Block Parameters SubsystemApply-1-实验成绩:指导教师:批改日期:ScopeiS |=1| P P介盹讀諳囲醫転西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告实验日期回IZO吕 Block Parameters: SubsystemOK1实验成绩指导教师批改日期摊佔瑙0 A(3) Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.7课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simulink仿真分析专业班级：学 号： 姓 名：0.80.B0.2510Time offset: 0%西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告实验日期回p p

15、 P昼1=3回會齒a掘a盹圍Bi实验成绩指导教师批改日期课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simulink仿真分析专业班级：学 号： 姓 名：40515Time offset：0.80.6040.215510Time oset西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期:专业班级：学 号：_姓名：6以Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4这组数据为基础，改变其中一个参数，固定其余两个，以此来分别讨论Kp,Ki,Kd的作用。先改变kp的值，其余两个不变，分为两组，第一组

16、是kp的值小于8.5,第二组是kp的值大于8.5.此处的值都是任意取得，kp1=7.2.kp2=9.4(1) Kp=7.2Ki=5.3,Kd=3.4駁 Block Parameters: SubsystemSubsy stkp0KCinc*lHslpippiy |实验成绩:指导教师:批改日期： -1-西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告实验日期Q 刃& Hii实验成绩指导教师批改日期(2) Kp=9.4,Ki=5.3,Kd=3.4号 Block Parameters: Subsystem| 加 ply课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simulink仿真分析

17、专业班级：学 号： 姓 名：420.4020105Time offsetOK|西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期:专业班级：学 号：_姓名：改变ki的值，其余两个不变，分为两组，第一组是ki的值小于5.3，第二组是ki的值大于5.3.此处的值都是任意取得，ki1=4.7.ki2=6.1(3)Kp=8.5,Ki=4.7,Kd=3.4” Block Parameters： Subsystem0KCancelApply|-1-实验成绩： 指导教师： 批改日期： 西安工程大学机械工程实验教学中心实验

18、报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期:专业班级：学 号：_姓名：实验成绩:指导教师:批改日期： -1-080.60 40.21015Time offset%回Hi戸炉理1 _ 1 :j|fJ:1 f Jr b ! i * r B n ! r b n i r a i1 s i i r a r i !:丄1ii5(4) Kp=8.5,Ki=6.1,Kd=3.4列 Block Parameters: Subsystem西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simuli

19、nk仿真分析实验日期:专业班级：学 号：_姓名：匕Scope 1=1 回 厉改变kd的值，其余两个不变，分为两组，第一组是kd的值小于3.4,第二组是kd的值大于3.4.此处的值都是任意取得，kd1=2.6.kd2=4.7(5) Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=2.6寻 Block Parameteits: Subsystem实验成绩:指导教师:批改日期： -1-西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告实验日期回ft号1实验成绩指导教师批改日期Q A(6) Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=4.7R Block Parameters: Subsystem课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的Simulink仿真分析专业班级：学 号： 姓 名：U51015Titme offset: 0OK匸 anc elKelpApply工Q ScopeI 口 回 因冒酉帀ft 曰7、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线（1）P 调节 Kp=8国 Block Parameters: Subsystem乞西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告实验日期回Block Parameters: Subsystemk.dOK1实验成绩指导教师批改日期0 A(2) PI 调节 Kp=5,Ki=2课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目_PID控制系统的