simulinkPID仿真

1、一、設(shè)計目的1 .掌握PID控制規(guī)律及控制器實現(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。二、使用設(shè)備計算機、MATLA軟件三、設(shè)計原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器中最常用的控制規(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E（s）1KiG（s）Kp（1TdS）= KpKdSU （s） pTiSp sTi式中，Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；©為微分系數(shù)；Ki為積分時間常數(shù);Td咱為微分時間常數(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

2、，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。積分作用的強弱 取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。（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)節(jié)時間。四、上機過程1、在MATLA命令窗口中輸入“ Simulink ”進入仿真界面。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

3、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：各模塊在如下出調(diào)用：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，默認是兩個輸入相 加，雙擊該模塊，將 List of Sig ns '框中的兩個加號（+）改為三個加號， 即（

4、+），可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/CreatSubsystem”CfULtCtrl+XCtrl+CGpyEstePsbw 七 w Quip Is C'&'tfl! Inp or ILD_«L «1 aSelect AllCepy Model To Clipbear d£ind- . .Ctrl+FCtrl+Vat. aCtrl+AIn

5、te orator=*> du/dtdui/dtauuOeinvativeOeinvative4-in-*1Add“ Edit/Mask Subsystem| NormalUndo MftveCtrl+ZC All. t It a d oCtrl+TCutCtrl+XCopyCtrl+CEastsCtr丄+VF ai t e Dupli cate Znp Qi-1et eSalact AJL1Ctrl+ACopy Mckdttl To d.ipbctrdl£ixid_ . _匚tri+rOp£.n BlockMaeIjc Fiur -mjti q t »ar

6、 s:.=SibSyst.am Pur«ir =.Elocls Frer_ .Create SixibsEstsmCtrl+GIMa'S-k SMibsyste<n.C trl I MX-ook Und»r IM a-skC trl+lfLi nk Op t i ozisKe£i-eslk ModeX BlouknCtrl+KCtrl+DUpdate iLi ap-wnIni Outl三I導(dǎo)圃囹轡嗤i只固ns 打開封裝編輯器窗口。選中上述子系統(tǒng)模塊，再選擇模型窗口菜單” 根據(jù)需要，在封裝編輯器對話框中進行一些封裝設(shè)置，包括設(shè)置封裝文本、 對話框、圖標(biāo)

7、等。本次試驗主要需進行以下幾項設(shè)置：Icon 項：“ Drawing commandS'編輯框中輸入“ disp( 'PID') ”，如下左圖示: Parameters項：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：Subsystem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；Com mon ly Used Blocks 模塊庫中的 Mux 模塊和 Sum模 塊；Contin uo

8、us 模 塊庫中的Zero-Pole模塊。Step模塊，Sum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，就可以運行，觀察仿真結(jié)果。運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/ConfiurationParameters ”，可設(shè)置仿真時間與算法等參數(shù)，如下圖示：其中默認算法是 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)。QKion Faira>eteEs: untitled/Conf iurat ion1719al«ct;!- :SdIva r:-Mt魚 I HAT I

9、/EHQrt- 0i>i：Ini sat Son- Difi.EJwsti csi i- S&.TiE e Tins:;-Ijats IntErityI=HConftecUvsir- Ccmpalibili If: Mode R.ef erencinE;-lUidm r« liapl «n&EL . 卜-Xq屛】 祜料艸口明MWoiJisJu&p:-Cement 昌: Srmbol:-Cuxtaia Codai- J«bui!-1 n.te-j faceSinnLL&.ton. tih«Stall tlh；$gp i

10、L«i«'恤占 stei> sizeIni<14.1 si ep size:SoItci-：RelaUve toer&neeA-bsoLut a tolara.nca£*ra crSElnK controL:l»-3a.uto5、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”運行仿真，雙擊Scope示波器觀察 輸出結(jié)果，并進行仿真結(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

11、.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。只改變Kp，當(dāng)Kp=8.5, Kp=6.7, Kp=4.2時候系統(tǒng)輸出曲線截圖標(biāo)注只改變Ki，當(dāng)Ki =5.3, Ki =2, Ki =1.8時候系統(tǒng)輸出曲線截圖標(biāo)注；只改變Kd，當(dāng)Kd=3.4, Kd =2.5, Kd=1.7時候系統(tǒng)輸出曲線截圖標(biāo)注。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) PI

12、D 調(diào)節(jié) Kp=7.5,Ki=5,Kd=3五實驗結(jié)果1. ( 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=1.72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。(1) Ki, Kd不變僅改變Kp;Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4Fli Edl Vtaw Irmrl TkJi Kxp- WrdwvKp=8.5,Ki=5.3rKd=A,4Kp=6.7,Ki=5.3,Kd=3.4唇 gdl VvWWtavP.PP A&Q 9Kp=4.2,Ki=5.3,

13、Kd=3.4毀 |H av iM«H Wt ftalHjif«A JH 9 i 4(2) Kp, Kd不變僅改變Ki;(1) Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4H &wupe».;劇儀Kp=8.5, Ki=2 , Kd=3.4Kp=8.5,Ki=1.8,Kd=3.4(3) Kp, Ki不變僅改變Kd;(1) Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4(2) PI 調(diào)節(jié) Kp=5,Ki=2Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=2.5A f JJB-十卄*- s*Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=1.7«Dl "蟲黑匸 E ai t-v3不

14、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«出13也帀(2) PI 調(diào)節(jié) Kp=5,Ki=2(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中 E嗎QkHh HMiw- *Ail 2堇AQQ旦必耗(2) PI 調(diào)節(jié) Kp=5,Ki=2六. 總結(jié)1、P控制規(guī)律控制及時但不能消除余差，I控制規(guī)律能消除余差但控制不及 時且一般不單獨使用， D 控制規(guī)律控制很及時但存在余差且不能單獨使用。2、比例系數(shù)越小，過渡過程越平緩，穩(wěn)態(tài)誤差越大；反之，過渡過程振蕩 越激烈，穩(wěn)態(tài)誤差越?。蝗?Kp 過大，則