基于MATLAB—GUI的PID实验平台设计报告模板资料

1、University of Science and Technology Liaoning设计题目课程名称： 计算机仿真（MATLAB语言） 设计题目： 基于MATLAB的PID研究平台 院 系： 电子与信息工程学院 班 级： 测控12-2班 指导教师： 赫健、徐少川 设 计 者： 赵晨、成学庆、刘亚楠、 王明丽、李泽宇、王东雷 设计时间： 10.2512.10 一、任务分工说明 如下表所示，填写本组成员名字及任务安排。序号姓名任务说明1成学庆赵晨（1）研究抗积分饱和PID算法及仿真（2）确立出界面功能的设计任务（3）绘制登录界面及功能介绍草图手稿（4）实现在MATLAB_GUI中实现抗积分饱

2、和的仿真演示2李泽宇赵晨（1）研究积分分离PID算法及仿真（2）分析界面所能实现的主要功能（3）绘制登录界面及功能介绍草图手稿（4）实现在MATLAB_GUI中实现积分分离的仿真演示3刘亚楠赵晨（1）研究不完全微分PID算法及仿真（2）分析界面所能实现的主要功能（3）绘制小测试界面草图手稿（4）实现在MATLAB_GUI中实现不完全微分的仿真演示4王明丽赵晨（1）研究变速积分PID算法及仿真（2）确立出界面功能的设计任务（3）绘制小测试界面草图手稿（4）实现在MATLAB_GUI中实现变速积分的仿真演示5王东雷赵晨（1）研究带滤波器的PID算法及仿真（2）确立出界面功能的设计任务（3）绘制论坛

3、界面草图手稿（4）实现在MATLAB_GUI中实现带滤波器的PID仿真演示6赵晨（1） 研究设计主操作界面（2） 实现在主界面中调用前面设计好的五个仿真实验，实现在每个仿真中返回主界面。（3） 整理资料，完成论文二、目录目录1.设计说明.1.1设计目的.1.2设计功能1.2.1第一个实验室.1.2.2第二个实验室.1.2.3第三个实验室.1.2.4第四个实验室.1.2.5第五个实验室.2.基本知识准备.2.1 MATLAB知识点.2.2自动控制原理知识点. 2.2.1比例作用. 2.2.2 积分作用. 2.2.3微分作用.3.功能设计3.1主界面3.2实验一功能介绍及实现过程3.2实验二功能介

4、绍及实现过程3.3实验三功能介绍及实现过程3.4实验四功能介绍及实现过程3.5实验五功能介绍及实现过程4.使用说明4.1实验一应用功能的使用4.2实验二应用功能的使用4.3实验三应用功能的使用4.4. 实验四应用功能的使用4.5实验五应用功能的使用5.总结6.参考文献1设计说明1.1设计目的基于MATLAB下的PID控制的教学演示。PID（比例 积分 微分）控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点,尤其适用于可建立精确数学模型的控制系统。而对于一些多变量、非线性、时滞的系统，传统的PID控制器并不能达到预期的效果。 随着模糊数学的发展，模糊控制的思想逐渐得到控制工程师们的重视，各种模糊控制

5、器也应运而生。而单纯的模糊控制器有其自身的缺陷控制效果很粗糙、控制精度无法达到预期标准。但利用传统的PID控制器和模糊控制器结合形成的模糊自适应的PID控制器可以弥补其缺陷；它将系统对应的误差和误差变化率反馈给模糊控制器进而确定相关参数，保证系统工作在最佳状态，实现优良的控制效果。我们在研究PID控制的基础上，并利用MATLAB 中的GUI软件，搭建设计页面，实现积分分离,低通滤波器，不完全微分的仿真图形，并验证滤波器的抗干扰能力。使用GUI窗设计一个滤波器以对信号进行滤波去噪处理。1.2设计功能本文设计了五个实验：1.2.1第一个实验室基于MATLAB GUI的抗积分饱和PID仿真，在输入传

6、递函数、输入量、PID系数。然后，选择抗积分饱和PID按钮，启动仿真，在坐标轴中出现仿真波形，实现抗击分饱和的仿真；同理可以选择经典模式（普通）下的PID仿真；最终实现对比仿真，达到设计目的。1.2.2第二个实验室基于MATLAB GUI的积分分离PID仿真，在输入传递函数、输入量、延时、PID系数。然后，选择积分分离PID按钮，启动仿真，在坐标轴中出现仿真波形，实现积分分离PID的仿真；同理可以选择经典模式（普通）下的PID仿真；最终实现对比仿真，达到设计目的。1.2.3第三个实验室基于MATLAB GUI的不完全微分PID仿真，在输入传递函数、输入量、一阶惯性环节系数。然后，不完全微分PI

7、D按钮，启动仿真，在坐标轴中出现仿真波形，实现不完全微分PID的仿真；同理可以选择经典模式（普通）下的PID仿真；最终实现对比仿真，达到设计目的。1.2.4第四个实验室基于MATLAB GUI的变速积分PID仿真，在输入传递函数、输入量、PID系数。然后，选择变速积分PID按钮，启动仿真，在坐标轴中出现仿真波形，实现变速积分PID的仿真；同理可以选择经典模式（普通）下的PID仿真；最终实现对比仿真，达到设计目的。1.2.5第五个实验室基于MATLAB GUI的带滤波器的PID仿真，在输入传递函数、输入量、低通滤波。然后，选择经典模式（普通）下的PID仿真；也可以选择加干扰按钮，添加干扰信号，启

8、动仿真后观察波形。也可选择带滤波器的PID按钮，启动仿真，在坐标轴中出现仿真波形，实现带滤波器的PID的仿真；最终实现对比仿真，达到设计目的。2.基本知识准备2.1 MATLAB知识点熟悉 MATLAB 开发环境、掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算、熟悉符号对象和符号表达式、掌握符号表达式和符号函数的操作、学习利用符号代数方程的求解、掌握各种编程语句语法规则及程序设计方法、函数文件的编写和设计、了解和熟悉跨空间变量传递和赋值、MATLAB 图形绘制的基本方法、MATLAB 图形绘制程序编辑的基本指令、MATLAB 图形编辑窗口编辑和修改图形界面，并添加图形的各种标注、掌握 plot、 sub

9、plot 的指令格式和语法、图形用户界面设计工具设计简单图形用户界面。2.2自动控制原理知识点PID制器是一种基于“过去”“现在”和“未来”信息估计的简单算法。 PID控制系统原理框图如图系统主要由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ysp(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: 2-1式中: ，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。2.2.1比例作用 比例作用的引入是为了及时成比例地反映控制系统的偏差信号，以最快速度产生控制作用，使偏差向减小的方向

10、变化。从图被控对象的传递函数为: ，以下相同) 可以看出随着比例系数的增大，稳态误差在减小;同时动态性能变差，振荡比较严重，超 调量增大。针对设定值控制中的超调问题，HangC.C.等人提出了一种关于比例控制的改进算法。通过在比例控制中引入设定值加权系数b，将PID控制器修正为：比例控制的系统响应2.2.2 积分作用积分作用的引入主要是为了保证实际输出值在稳态时对设定值的无静差跟踪。假设闭环系统已经处于稳定状态，则此时控制输出量。(t)和控制偏差量e(t)都将保持在某个常数值上，不失一般性，我们分用和来表示。根据PID控制器的基本结构式(2一1)， 有： （23）在己知和不为常数的情况下，为常

11、数当且仅当=0。即对于一个带积分作用的控 制器，如果它能够使闭环系统稳定并存在一个稳定状态，则此时对设定值的跟踪必是无静差的。从图2-4可以看出随着积分时间常数不减小，静差在减小;但是过小的Ti会加剧系统振荡，甚至使系统失去稳定。 比例积分控制的系统响应2-42.2.3微分作用 微分作用的引入，主要是为了改善闭环系统的稳定性和动态响应速度。PD控制器的结构为: （25）的泰勒级数为： （26）控制信号与马时刻以后的偏差成比例。从图2.4可看出比例微分能够预报未来的输出。另外，从图2-7可以看出微分时间常数几增加有利于减小超调量。 图2-8微分的预测作用 图2-9 比例积分微分控制的响应3.功能

12、设计3.1主界面打开主界面每个按键代表一个实验的入口，按下该按键即可进入相应实验平台。3.2实验一、基于MATLAB GUI的抗积分饱和PID仿真FUNCTION INPUT对应的三个窗口分别输入传递函数的分子分母，输入量；在PID对应的三个窗口输入PID三个系数。选择reset按键 可在各输入窗口输出一个经典参数，然后选择Normal 按键，再选择start进入普通PID仿真并在右边坐标轴中显示仿真波形。选择i_sturation按键后选择start进入抗积分饱和PID仿真并在右边坐标轴显示仿真波形。按Go to Menu可返回主菜单。3.3实验二、基于MATLAB GUI的积分分离PID仿

13、真FUNCTION INPUT对应的三个窗口分别输入传递函数的分子分母，输入量；在PID对应的三个窗口输入PID三个系数。选择reset按键 可在各输入窗口输出一个经典参数，然后选择Normal 按键，再选择start进入普通PID仿真并在右边坐标轴中显示仿真波形。选择i_separation按键后选择start进入积分分离PID仿真并在右边坐标轴显示仿真波形。按Go to Menu可返回主菜单。3.4实验三、基于MATLAB GUI的不完全微分PID仿真FUNCTION INPUT对应的三个窗口分别输入传递函数的分子分母，输入量，延时；在LF_Signal Filter对应的窗口输入一阶惯性

14、环节系数。选择reset按键 可在各输入窗口输出一个经典参数，然后选择Normal 按键，再选择start进入普通PID仿真并在右边坐标轴中显示仿真波形。选择Partial按键后选择start进不完全微分PID仿真并在右边坐标轴显示仿真波形。3.5实验四、基于MATLAB GUI的变速积分PID仿真FUNCTION INPUT对应的三个窗口分别输入传递函数的分子分母，输入量、延时；在PID对应的三个窗口输入PID三个系数。选择reset按键 可在各输入窗口输出一个经典参数，然后选择Normal 按键，再选择start进入普通PID仿真并在右边坐标轴中显示仿真波形。选择change i_rate

15、按键后选择start进入变速积分PID仿真并在右边坐标轴显示仿真波形。按Go to Menu可返回主菜单。3.6实验五、基于MATLAB GUI的带滤波器的PID仿真FUNCTION INPUT对应的三个窗口分别输入传递函数的分子分母，输入量；在FILTER INPUT对应的两个窗口输入滤波器的分子分母。选择reset按键 可在各输入窗口输出一个经典参数，然后选择Normal 按键，再选择start进入普通PID仿真并在右边坐标轴中显示仿真波形。选择Disturbance按键后选择start加干扰PID仿真并在右边坐标轴显示仿真波形。选择Filter按键后选择start加滤波器的PID仿真并在

16、右边坐标轴显示仿真波形。按Go to Menu可返回主菜单。4.使用说明4.1实验一打开主界面在主界面选择进入实验一，基于MATLAB GUI的抗积分饱和PID仿真平台，并复位，所有窗口中置入一组经典参数，参数可以修改先选择normal在选择start，进入普通PID仿真界面，右边显示仿真波形选择i_sturaion,再选择start，进入抗积分饱和PID仿真，右边显示仿真波形选择Go to Menu 返回主界面实验二如实验一所示进入主界面后进入实验二仿真界面先选择normal在选择start，进入普通PID仿真界面，右边显示仿真波形选择i_separation再选择start进入积分分离仿真

17、实验，右边显示仿真波形图再选择Go to Menu 返回主界面实验三如实验一所示进入主界面后进入实验三仿真界面先选择normal在选择start，进入普通PID仿真界面，右边显示仿真波形选择Partial再选择start进入不完全微分仿真实验，右边显示仿真波形图再选择Go to Menu 返回主界面实验四如实验一所示进入主界面后进入实验四仿真界面先选择normal在选择start，进入普通PID仿真界面，右边显示仿真波形选择Change i_rate再选择start变速积分PID仿真实验，右边显示仿真波形图再选择Go to Menu 返回主界面实验五如实验一所示进入主界面后进入实验五仿真界面先

18、选择normal在选择start，进入普通PID仿真界面，右边显示仿真波形选择Disturbance再选择start，进入加滤波器的PID仿真界面，右边显示仿真波形选择Filter再选择start，进入带滤波器的PID仿真界面，右边显示仿真波形5.总结 通过学习GUI软件图形用户界面包括文本框、标签、按钮、单选按钮、复选框、图片、菜单、对话框等组件的人机交互界面。在该界面中，通过单击、双击、拖动鼠标和简单的文字输入就可以轻松地操作计算机，完成所有任务。它既能嵌入已有的仿真程序，又能把仿真后的图形化结果以人机交互的动态方式直观呈现，不需要知道代码的具体内容，只要了解操作步骤即可很方便地操作界面。PID实指“比例proportional”、“积分integral”、“微分derivative”，如果我们要求被控制的对象最终趋于一个稳定的结果，一般就可以使用PID算法。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，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，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能