哈工大-计算机仿真技术实验报告-仿真实验四基于Simulink控制系统仿真与综合设计

基于Simulink控制系统仿真与综合设计一、实验目的(1)熟悉Simulink的工作环境及其功能模块库；(2)掌握Simulink的系统建模和仿真方法；(3)掌握Simulink仿真数据的输出方法与数据处理；(4)掌握利用Simulink进行控制系统的时域仿真分析与综合设计方法；(5)掌握利用Simulink对控制系统的时域与频域性能指标分析方法。二、实验内容图2.1为单位负反应系统。分别求出当输入信号为阶跃函数信号、斜坡函数信号和抛物线函数信号时，系统输出响应及误差信号曲线。假设要求系统动态性能指标满足如下条件：a)动态过程响应时间；b)动态过程响应上升时间；c)系统最大超调量。按图1.2所示系统设计PID调节器参数。图2.1单位反应控制系统框图图2.2综合设计控制系统框图三、实验要求(1)采用Simulink系统建模与系统仿真方法，完成仿真实验；(2)利用Simulink中的Scope模块观察仿真结果，并从中分析系统时域性能指标〔系统阶跃响应过渡过程时间，系统响应上升时间，系统响应振荡次数，系统最大超调量和系统稳态误差〕；(3)利用Simulink中SignalConstraint模块对图2.2系统的PID参数进行综合设计，以确定其参数；(4)对系统综合设计前后的主要性能指标进行比照分析，并给出PID参数的改变对闭环系统性能指标的影响。四、实验步骤与方法4.1时域仿真分析实验步骤与方法在Simulink仿真环境中，翻开simulink库，找出相应的单元部件模型，并拖至翻开的模型窗口中，构造自己需要的仿真模型。根据图2.1所示的单位反应控制系统框图建立其仿真模型，并对各个单元部件模型的参数进行设定。所做出的仿真电路图如下图。图当仿真系统较大而复杂时，可以创立子系统，以增加仿真模型的可读性。将图控制系统仿真模型进行子系统封装，在单位阶跃函数控制信号的作用下，图2.1所示的控制系统仿真模型如下图。在simulink中，选择仿真方法，并设置仿真参数〔积分步长，仿真误差及仿真时间等〕。根据仿真输出曲线，得出系统的主要性能指标参数。将图中的单位阶跃函数控制信号分别用斜坡函数信号和抛物线函数信号t2/2替换，并完成系统仿真实验。图子系统仿真图4.2控制系统PID校正器设计实验步骤与方法构造的PID控制器仿真模型如图所示。图中，Kp为PID控制器的比例系数，Ki为PID控制器的积分系数，Kd为PID控制器的微分系数。图PID控制器仿真模型将图所示的PID控制器仿真模型进行子系统封装，而后按图2.2建立其仿真模型，如下图。按SignalConstraint使用规那么，完成对PID控制系统参数的整定与系统仿真分析。在单位阶跃函数控制信号、斜坡函数控制信号和抛物线函数控制信号作用下，对系统进行仿真试验。根据仿真输出曲线，得出系统的主要性能指标参数。在此实验中，设置的初始Kp=1,Kd=2,Ki=2。图PID控制系统子系统封装仿真模型五、实验结果5.1未用PID整定时的实验结果未用PID整定时，当输入分别为阶跃信号、斜坡信号、以及实验中示波器显示结果分别如下列图所示，从图中可知震荡幅度均较大：图输入为阶跃信号图输入为斜坡信号图输入为信号主要性能指标参数如表5-1：表5-1单位负反应控制系统的性能指标输入信号形式系统性能指标上升时间/s峰值时间/s超调量%调节时间/s振荡次数稳态误差阶跃信号1.0s1.0s100%15s70斜坡信号xXx6.5s00.1抛物线信号xXx7.8s015.2使用PID整定之后的实验结果参加PID整定模块之后，当输入分别为阶跃信号、斜坡信号、以及实验中示波器显示结果分别如下列图所示，从中可以看出几乎无震荡。其中PID整定参数为：Kp=2.2523；Kd=0.8935；Ki=2.1117图5.2.1图5.2.2输入为阶跃信号图输入为斜坡信号图5.5.4输入信号为主要性能指标参数如表5-2：表5-2单位负反应控制系统的性能指标输入信号形式系统性能指标上升时间/s峰值时间/s超调量%调节时间/s振荡次数稳态误差阶跃信号2.3s0.5s23%4.6s00斜坡信号xXx1.2s00.1抛物线信号xXx1.4s01六、实验结论与问题分析6.1实验结果分析通过将图与、图与、图与相互比拟，可以清晰地看出参加PID之前的仿真结果振荡幅度较大，误差较大；但是参加PID之后图像几乎无振荡，PID起到了很好的整定效果。6.2实验中遇到的问题1〕实验中元器件的位置在simulink中难以找到，可以利用查找功能，直接输入模块的名称从而找到相应模块。2