計算機仿真實驗四-基于Simulink控制系統(tǒng)仿真與綜合設計

1、實驗四 基于Simulink控制系統(tǒng)仿真與綜合設計4.1實驗目的1） 熟悉Simulink的工作環(huán)境及其功能模塊庫；2）掌握Simulink的系統(tǒng)建模和仿真方法；3）掌握Simulink仿真數據的輸出方法與數據處理；4）掌握利用Simulink 進行控制系統(tǒng)的時域仿真分析與綜合設計方法；5）掌握利用 Simulink對控制系統(tǒng)的時域與頻域性能指標分析方法。4.2實驗內容與要求4.2.1 實驗內容圖4.1為單位負反饋系統(tǒng)。分別求出當輸入信號為階躍函數信號、斜坡函數信號和拋物線函數信號時，系統(tǒng)輸出響應及誤差信號曲線。若要求系統(tǒng)動態(tài)性能指標滿足如下條件：a) 動態(tài)過程響應時間；b) 動態(tài)過程響應上升

2、時間；c) 系統(tǒng)最大超調量。按圖4.2所示系統(tǒng)設計PID調節(jié)器參數。圖4.1 單位反饋控制系統(tǒng)框圖圖4.2 綜合設計控制系統(tǒng)框圖4.2.2 實驗要求） 采用Simulink系統(tǒng)建模與系統(tǒng)仿真方法，完成仿真實驗；） 利用Simulink中的Scope模塊觀察仿真結果，并從中分析系統(tǒng)時域性能指標（系統(tǒng)階躍響應過渡過程時間，系統(tǒng)響應上升時間，系統(tǒng)響應振蕩次數，系統(tǒng)最大超調量和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差）；） 利用Simulink中Signal Constraint模塊對圖4.2系統(tǒng)的PID參數進行綜合設計，以確定其參數；） 對系統(tǒng)綜合設計前后的主要性能指標進行對比分析，并給出PID參數的改變對閉環(huán)系統(tǒng)性能指標的影

3、響。4.3確定仿真模型在Simulink仿真環(huán)境中，打開simulink庫，找出相應的單元部件模型，并拖至打開的模型窗口中，構造自己需要的仿真模型。如圖所示：圖4.4當仿真系統(tǒng)較大而復雜時，可以創(chuàng)建子系統(tǒng)，以增加仿真模型的可讀性。將圖4.4控制系統(tǒng)仿真模型進行子系統(tǒng)封裝，分別在單位階躍函數控制信號，斜坡函數信號，拋物線函數信號的作用下，構造控制系統(tǒng)仿真模型，輸出仿真曲線，得出系統(tǒng)的主要性能指標參數。對比系統(tǒng)在有無PID控制器時的輸出曲線及性能指標，PID控制器的構造如下，將其封裝后置于各個仿真模型中，與無PID控制器時對比輸出曲線的差異。圖中，Kp為PID控制器的比例系數；Ki為PID控制器的

4、積分系數；Kd為 PID控制器的微分系數。4.4仿真模型及輸出曲線4.4.1單位階躍函數信號：無PID控制器有PID控制器4.4.2斜坡函數信號無PID控制器有PID控制器4.4.3拋物線函數信號無PID控制器有PID控制器4.5數據處理及性能指標分析4.5.1 PID控制器參數的選取對于PID控制器，Kp為PID控制器的比例系數，Ki為PID控制器的積分系數，Kd為 PID控制器的微分系數。在實驗中，選取Kp=1,Ki=1,Kd=1,且三個參數的變化范圍均為-1010，由此得出對應的仿真曲線。4.5.2有無PID控制系統(tǒng)時的性能指標分析表4-2單位負反饋控制系統(tǒng)的性能指標 輸入信號形式系統(tǒng)性能指標上升時間/s峰值時間/s超調量%調節(jié)時間/s振蕩次數穩(wěn)態(tài)誤差階躍信號131.5501350斜坡信號XXX620.1拋物線信號XXX531表4-3 PID控制系統(tǒng)的性能指標 輸入信號形式系統(tǒng)性能指標上升時間/s峰值時間/s超調量%調節(jié)時間/s振蕩次數穩(wěn)態(tài)誤差階躍信號5.31.525%510斜坡信號XXX1.310.1拋物線信號XXX1.3114.6實驗結果分析由以上實驗輸出曲線可以看出，在加入PID控制器后，所得曲線振蕩消失，圖線非常整齊，因此，PID控制器起到了很好的整合作用。在本次過程中，主要掌握了利用simulink進行模型仿真的手段，并且通過實踐