PID控制控制系统的Simulink仿真分析

1、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

2、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G(s)二E二K(1+丄+Ts)二K+K+KsU(s)pTsdpsdi式中，KQ为比例系数；K为积分系数；K为微分系数；T=K为积分时间常数;PidiKiT=K为微分时间常数；简单来说，PID控制各校正环节的作用如下：dKp(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T,T越大，积分作用越弱，反之则越强。ii（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

3、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、MATLAB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SimulinkLibraryBrowser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：MathOperations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

4、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。MathOperations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ListofSigns'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

5、口菜单“Edit/CreatSubsystem” 封装。选中上述子系统模块，再选择模型窗口菜单“Edit/MaskSubsystem” 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：“Drawingcommands”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:嫌Maskeditor:SubsystemIconParameters|InitializationDocumentationEvaluateTunableDial

6、ogparameterskpkpeditkikieditpkdkdeditpPromptVariableTypeUnmaskOKOptionsforselectedparameterPopups(oneperline):Indialog:1Showpa破EnableparDialog_Icallback: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：回RID100%FileEditViewSimulationFormatToolsHelpDoSQa|io.o顾爲I三|爭囲圃喜to马zhanglin

7、g2Sm-p-Eode4510的）*03DSubsystEE所需模块及设置：Sources模块库中Step模块；Sinks模块库中的Scope模块;CommonlyUsedBlocks模块库中的Mux模块；Continuous模块库中的LJZero-Pole模块。Step模块和Zero-Pole模块设置如下:BlockParameters:Step-StepOutput且step.ParaneteTESteptine:硕InteipietvectcnparazieterEas1D两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、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

9、/ConfiurationParameters”，可设置仿真时间与算法等参数，如F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:BlockParameters:SubsystemiSubsystezi(maskjParazieteTEkp0K|C：=lTli：h1Help|Apply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=

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=2.5（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=3.42)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这组数据为基础，改

11、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=9.41)Kp=7.2Ki=5.3,Kd=3.4別BlockParameters:Subsystem2)Kp=9.4,Ki=5.3,Kd=3.4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=6.13)Kp=8.5,Ki=4.7,Kd=3.44)Kp=8.5,Ki=6.1,Kd=3.4BlockP

12、arameters:SubsystemSubsyEtsiD(zaaskParazaetexekpkiI5'1kd丽改变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34此处的值都是任意取得，kd1=2.6.kd2=4.75)Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=2.66)Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=4.77、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线（1）P调节Kp=8BlockParameters:SubsystemSubEJEtSZi(uaEk；Parapetexekp2)PI调节Kp=5,Ki=23)PD调节Kp=8.5,Kd=2.54)PID调节Kp=7.5,Ki=5,Kd=3OKSubsystezDtsaskC：=ltlch1虹plyBlockParameters:SubsystemParazietexEFlScape,>=>回S1=3|PAH01.41.210.80.60.40.20051015Timeoffset: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kp,ki,kd减