PID控制系統(tǒng)的Simulink仿真分析

1、實(shí)驗(yàn)報告課程名稱： MATLAB語言與控制系統(tǒng)仿真 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目： PID控制系統(tǒng)的Simulink仿真分析 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 日 期： 機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 注：1、請實(shí)驗(yàn)學(xué)生及指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)前做實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備使用登記； 2、請各位學(xué)生大致按照以下提綱撰寫實(shí)驗(yàn)報告，可續(xù)頁； 3、請指導(dǎo)教師按五分制（優(yōu)、良、中、及格、不及格）給出報告成績； 4、課程結(jié)束后，請將該實(shí)驗(yàn)報告上交機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心存檔。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)1 掌握PID控制規(guī)律及控制器實(shí)現(xiàn)。2掌握用Simulink建立PID控制器及構(gòu)建系統(tǒng)模型與仿真方法。2、 實(shí)驗(yàn)原理和方法在模擬控制系統(tǒng)中，控制器中最常用的控

2、制規(guī)律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差。PID控制規(guī)律寫成傳遞函數(shù)的形式為式中，為比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)；簡單來說，PID控制各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。（3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)

3、節(jié)時間。3、 實(shí)驗(yàn)使用儀器設(shè)備（名稱、型號、技術(shù)參數(shù)等）計(jì)算機(jī)、MATLAB軟件4、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(步驟） 1、在MATLAB命令窗口中輸入“simulink”進(jìn)入仿真界面。2、構(gòu)建PID控制器：（1）新建Simulink模型窗口（選擇“File/New/Model”）,在Simulink Library Browser中將需要的模塊拖動到新建的窗口中，根據(jù)PID控制器的傳遞函數(shù)構(gòu)建出如下模型：各模塊如下： Math Operations模塊庫中的Gain模塊，它是增益。拖到模型窗口中后，雙擊模塊，在彈出的對話框中將Gain分別改為Kp、Ki、Kd，表示這三個增益系數(shù)。 Continuous模塊庫

4、中的Integrator模塊，它是積分模塊；Derivative模塊，它是微分模塊。 Math Operations模塊庫中的Add模塊，它是加法模塊，默認(rèn)是兩個輸入相加，雙擊該模塊，將List of Signs框中的兩個加號（+）后輸入一個加號（+），這樣就改為了三個加號，用來表示三個信號的疊加。 Ports & Subsystems模塊庫中的In1模塊（輸入端口模塊）和Out1模塊（輸出端口模塊）。（2）將上述結(jié)構(gòu)圖封裝成PID控制器。 創(chuàng)建子系統(tǒng)。選中上述結(jié)構(gòu)圖后再選擇模型窗口菜單“Edit/Creat Subsystem” 封裝。選中上述子系統(tǒng)模塊，再選擇模型窗口菜單“Edit/Mas

5、k Subsystem” 根據(jù)需要，在封裝編輯器對話框中進(jìn)行一些封裝設(shè)置，包括設(shè)置封裝文本、對話框、圖標(biāo)等。本次試驗(yàn)主要需進(jìn)行以下幾項(xiàng)設(shè)置：Icon（圖標(biāo)）項(xiàng)：“Drawing commands”編輯框中輸入“disp(PID)”，如下左圖示：Parameters(參數(shù))項(xiàng)：創(chuàng)建Kp,Ki,Kd三個參數(shù)，如下右圖示：至此，PID控制器便構(gòu)建完成，它可以像Simulink自帶的那些模塊一樣，進(jìn)行拖拉，或用于創(chuàng)建其它系統(tǒng)。3、搭建一單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：所需模塊及設(shè)置：Sources模塊庫中Step模塊；Sinks模塊庫中的Scope模塊；Commonly Used Blocks模塊庫中的

6、Mux模塊；Continuous模塊庫中的Zero-Pole模塊。Step模塊和Zero-Pole模塊設(shè)置如下：4、構(gòu)建好一個系統(tǒng)模型后，就可以運(yùn)行，觀察仿真結(jié)果。運(yùn)行一個仿真的完整過程分成三個步驟：設(shè)置仿真參數(shù)、啟動仿真和仿真結(jié)果分析。選擇菜單“Simulation/Confiuration Parameters”，可設(shè)置仿真時間與算法等參數(shù)，如下圖示：其中默認(rèn)算法是ode45（四/五階龍格-庫塔法），適用于大多數(shù)連續(xù)或離散系統(tǒng)。5、雙擊PID模塊，在彈出的對話框中可設(shè)置PID控制器的參數(shù)Kp,Ki,Kd：設(shè)置好參數(shù)后，單擊“Simulation/Start”運(yùn)行仿真，雙擊Scope示波器觀

7、察輸出結(jié)果，并進(jìn)行仿真結(jié)果分析。比較以下參數(shù)的結(jié)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=1.76、以Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4這組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，改變其中一個參數(shù)，固定其余兩個，以此來分別討論Kp,Ki,Kd的作用。7、分析不同調(diào)節(jié)器下該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（1）P調(diào)節(jié) Kp=8（2）PI調(diào)節(jié) Kp=5,Ki=2（3）PD調(diào)節(jié) Kp=8.5,Kd=2.5（4）PID調(diào)節(jié) Kp=7.5,Ki=5,Kd=3程序及運(yùn)行結(jié)果如下（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.42）Kp=6.7,Ki=2,K

8、d=2.5（3）Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.76、以Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4這組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，改變其中一個參數(shù)，固定其余兩個，以此來分別討論Kp,Ki,Kd的作用。先改變kp的值，其余兩個不變，分為兩組，第一組是kp的值小于8.5，第二組是kp的值大于8.5.此處的值都是任意取得，kp1=7.2.kp2=9.4（1） Kp=7.2Ki=5.3,Kd=3.4（2） Kp=9.4,Ki=5.3,Kd=3.4改變ki的值，其余兩個不變，分為兩組，第一組是ki的值小于5.3，第二組是ki的值大于5.3.此處的值都是任意取得，ki1=4.7.ki2=6.1（3） Kp=8.5,K

9、i=4.7,Kd=3.4（4） Kp=8.5,Ki=6.1,Kd=3.4改變kd的值，其余兩個不變，分為兩組，第一組是kd的值小于3.4，第二組是kd的值大于3.4.此處的值都是任意取得，kd1=2.6.kd2=4.7（5） Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=2.6（6） Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=4.77、分析不同調(diào)節(jié)器下該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（1） P調(diào)節(jié) Kp=8（2）PI調(diào)節(jié) Kp=5,Ki=2（3）PD調(diào)節(jié) Kp=8.5,Kd=2.5（4）PID調(diào)節(jié) Kp=7.5,Ki=5,Kd=3五結(jié)論 總結(jié)PID調(diào)節(jié)的基本特點(diǎn)pid調(diào)節(jié)即為比例，積分，微分調(diào)節(jié)。Kp為比例參數(shù)，主要是用于快速調(diào)節(jié)誤差；Ki為積分參數(shù)，主要是用于調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)時間；Kd為微分參數(shù)，主要是用于預(yù)測誤差趨勢，提前修正誤差。隨著kp,ki,kd減小，系統(tǒng)反應(yīng)速度變慢，超調(diào)量逐漸減小，系統(tǒng)調(diào)整時間也在變小。使kd變化其余兩個值不變，可看出隨著kd的增加，超調(diào)量