PID控制系统的Simulink仿真分析

1、营步N九“呼实验报告课程名称：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。、实验目的和任务1 .掌握PID控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。PID控制。PID控制器是PID控制规律写成传递、实验原理和

2、方法在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是 种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差函数的形式为GUSKp(1 点TdS) KpKiKdS二为积分时间常数;Ki式中，Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；TiTd K包为微分时间常数；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

3、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颤件四、实验内容（步骤）1、在MATLAB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：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

4、弹出的对话框中将Gain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 Operations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 Signs 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

5、菜 单“ Edit/Creat Subsystem”封装。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、图标等。本次试验主要需进行以下几项设置：Icon （图标）项：“Drawing commands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：或 Mask editor ：SubsystemI 1=1 I 回zhanglirg , o 1 Mask editor ：SubsytemIcon Paramet

6、ers initialization | Documentationr Dialog parametersPromptVariableTypeEvaluateTunablekpkpeditaakikiedit.kdkdedit，1717Options for selected parameterPopups (one per line): In dialog:Show pa丁 Enable parDialogJJ callback: I二JUnmask OK Cancel Help Apply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

7、统。3、搭建一单回路系统结构框图如下图所示: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 Parametersj StepL_StepOutput a. step.ParaneteTEOK I Cancel I Hein0 Block Para meters： Zero*PoleSere-Roleyatrlz *xpreSEion for z*toe. Victor e

8、zregsion for po;老瓦 and gain. Output Tidth equsIe the nirzber c-f colimns in zstos satTizj； or one : zeros le 且 vector.ParametersZeros:PQleE：|-1 -2 -3 -43G&in:Absolut邑 tDl&rance 二autQ4、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，

9、 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5、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 :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=,Ki=,Kd=(2) Kp=,Ki=2,Kd=(3) Kp=,Ki=,Kd=6、以Kp=,Ki=,Kd=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

10、节 Kp=5,Ki=2(3) PDiM节 Kp=,Kd=(4) PID 调节 Kp=,Ki=5,Kd=3程序及运行结果如下(1) Kp=,Ki=,Kd=Q ScopeI 0 | 回 111每图位0月函据A 7J 1A/0510152) Kp=,Ki=2,Kd=口!(3) Kp=,Ki=,Kd=510150昌茴）夕用於超疆立专5432,23-4-5Time otfset： 0Time affseti 0 Block Parameters: SubsystemQ ScopeI =,回 I 区昌茴I*华角南超超0a专Time offset: 06、以Kp=,Ki=,Kd=这组数据为基础，改变其中一个

11、参数，固定其余两个，以此来分别讨论Kp,Ki,Kd的作用。,第二组是kp先改变kp的值，其余两个不变，分为两组，第一组是kp的值小于的值大于此处的值都是任意取得9W Block Parameters: SubsystemScope昌苜庐月睡遹疆日专(1) Kp=,Ki=,Kd=岫 Block Parameters: SubsystemKCancelApply助1r改变ki的值，其余两个不变，分为两组，第一组是ki的值小于，第二组是ki的值此 处 的 值 都 是 任 意 取 得，ki1 =BJ Scopeo回 汉M Block Parameters: SubsystemM Scope| 0 回

12、双昌图11Q Q川|糜寇疆0e/1.5i1II 1 1 I051015改变 kd 的值，其余两个不变，分为两组，第一组是kd的值小于，第二组是kd的值大于.此处的值都是任意取得，0 Block Parameters: SubsystemTime offset: 0kd1 =SubtTstex task)M Scope回 汉W Ip 0 p 醯国忠 015I5 3 kdZ7OK0010Time offset: 0系统的阶跃响应曲线分析不同调节器下该(1) P 调节 Kp=8Paraziet ers二CaneHelpApply(2) PI 调节 Kp=5,Ki=2昌茴I附历处(3) PDiM节 K

13、p=,Kd=M Scope =i 回 S3 J昌图IP为夕拗is凡1 ei a* 一1.4i11riiFT n 1 i i r n n 1 gi r a i r n i 1 e n i i* r s i i r a n i riiBaai-iH一一1-1IJrI1:Q8 二二/J 一!一 y.:f y：. *卜.一卜”一T.- I a Ja LI nB . 1 ti J Hrn-i.-. . rrB- . rra.-xi. rn-i.-. i rrBB- .JII:r1 -:0!i051015Time offset: 0(4) PID 调节 Kp=,Ki=5,Kd=30 Block Param?ter5： Subsystem号 Subcrxtea *QAsk)Faxsaet&rs ke Ik ki kdQJCGaiicel I Help I Arply Scope d | 回 | 裾 |p p p ft E3 0 B A1.4i1 ：IM I_H-5IQ6-:；-限.:；H:0 i1051015Time offset1 0五.结论总结PID调节的基本特点pid调节即为比例，积分，微分调节。Kp为比例参数，主要是用于快速调节误差；Ki为积分参数，主要是用于调节 稳态时间；Kd为微分参数，主要是用于预测误差趋势，提前修正误差。随着