數(shù)字PID控制器的MATLAB仿真匯編

1、江蘇科技大學電子信息學院評定成績指導教師宋英磊實驗報告實驗課程：計算機控制技術實驗名稱：數(shù)字PID控制器的MATLAB仿真學號：1345733203姓名：胡文千班級:13457332完成日期：2015年11月16日實驗目的(1)掌握用SIMULINK對系統(tǒng)進行仿真的基本方法。(2)對PID數(shù)字控制器進行仿真。實驗內容1、基本的PID控制在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1-1所示。圖1-1模才PPID控制系統(tǒng)原理框圖十上PID控制規(guī)律為:，、，、1u(t)=kpe(t)+-Ti或寫成傳遞函數(shù)的形式G(s)=U(s)=k。1十E(s)Pl,133

2、、-*，、一仿真1以二階線性傳遞函數(shù)2為被控對象,進行模擬PID控制。輸入信號s25sr(t)=sin(2n*0.2t),仿真時取kp=60,K=1,kd=3,采用ODE45迭代方法，仿真時間10s。仿真方法：在Simulink下進行仿真，PID控制由SimulinkExtras節(jié)點中的PIDController提供。仿真程序：ex1_1.mdl,如圖1-2所示。圖1-2連續(xù)系統(tǒng)PID的Simulink仿真程序將該連續(xù)系統(tǒng)的模擬PID控制正弦響應結果截圖后至于下面的空白處:連續(xù)系統(tǒng)的模擬PID控制正弦響應如圖1-3所示。圖1-3連續(xù)系統(tǒng)的模擬PID控制正弦響應2、連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字PID控制仿真計

3、算機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量。因此連續(xù)PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化方法。在計算機PID控制中，使用的是數(shù)字PID控制器。按模擬PID控制算法，以一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t,以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，以一階后向差分近似代替微分，可得離散PID位置式表達式：.T.Tnu(k)=kpe(k)乙e(j)+二(e(k)e(k1)ITIj3T)=kpe(k)ke(j)Tkde(k)e(kj/Tkp式中，ki=上，kd=kpTD,e為誤差信號(即pid控制器的輸入)，u為控制信號(即控制Ti器的輸出)在仿真過程中，可根據(jù)實際情況，對控制器的輸出進行

4、限幅。連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字PID控制可實現(xiàn)D/A及A/D的功能，符合數(shù)字實時控制的真實情況，計算機及DSP的實時PID控制都屬于這種情況。4,人，-i，乂一，、1一小仿真2設被控對象為一個電機模型傳遞函數(shù)G(s)=2,式中J=0.0067,B=0.1。輸JsBs入信號為0.5sin(2nt),采用PID控制，其中kp=20,kd=0.5。采用ODE45方法求解連續(xù)被控對象方程。仿真方法：因為G(s)=Y=21，所以Jdy+Bdy=u,另U(s)JsBsdtdt-y；=”y-y,y-y，蛆10.0u(k)=10.0;endifu(k)=10u(k)=10;endifu(k)=-10u(k)=-10;e

5、nd%根據(jù)差分方程計算系統(tǒng)當前輸出y(k)yout(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2-den(4)*y_3+num(2)*u_1+num(3)*u_2+num(4)*u_3;error(k)=rin(k)-yout(k);%當前誤差%更新u(k-1)、u(k-2)、u(k-3)、y(k-1)、y(k-2)、y(k-3)u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k);x(1)=error(k);%比例輸出x(2)=(error(k)-error_1)/ts;%微分輸出x(3)=x(3)+error(k)*ts;%積分輸出

6、error_1=error(k);%更新e(k-1)endfigure(1);%作圖plot(time,rin,r,time,yout,b);xlabel(time(s),ylabel(rin,yout）；將仿真獲得的結果截圖后附于下面的空白處：S=1時是階躍跟蹤，如圖1-5所示；S=2時為方波跟蹤，如圖1-6所示；S=3時為正弦跟蹤,如圖1-7所示。圖1-5 S=1時階躍跟蹤圖1-7S=3時正弦跟蹤。仿真4針對于上一例子中被控對象所對應的離散系統(tǒng)，設計代碼仿真系統(tǒng)針對三角波和鋸齒波的位置式響應。此處附上你的代碼：%PIDControllerclearall;closeall;ts=0.001

7、;sys=tf(5.235e005,1,87.35,1.047e004,0);dsys=c2d(sys,ts,z);num,den=tfdata(dsys,v);u_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0;r_1=rand;y_1=0;y_2=0;y_3=0;x=0,0,0;error_1=0;disp(S=1-Triangle,S=2-Sawtooth,S=3-Random)%S=1三角，S=2鋸齒，S=3隨機S=input(NumberofinputsignalS:)%接收輸入信號代號disp(D=1-Dynamicdisplay,D=1-Directdisplay)%D=1動畫顯示，

8、D=1直接顯示D=input(D=)fork=1:1:3000time(k)=k*ts;kp=1.0;ki=2.0;kd=0.01;ifS=1%TriangleSignalifmod(time(k),2)=5.0rin(k)=rand;vr(k)=abs(rin(k)-r_1)/ts);endend%PID Controlleru(k)=kp*x(1)+kd*x(2)+ki*x(3);%Restrictingtheoutputofcontrollerifu(k)=10u(k)=10;endifu(k)=-10u(k)=-10;end%Linearmodelyout(k)=-den(2)*y_1

9、-den(3)*y_2-den(4)*y_3+num(2)*u_1+num(3)*u_2+num(4)*u_3;error(k)=rin(k)-yout(k);r_1=rin(k);u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k);y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k);x(1)=error(k);%CalculatingPx(2)=(error(k)-error_1)/ts;%CalculatingDx(3)=x(3)+error(k)*ts;%CalculatingIxi(k)=x(3);error_1=error(k);ifD=1%DynamicSimulationDis

10、playplot(time,rin,b,time,yout,r);pause(0.000001);endendplot(time,rin,r,time,yout,b);xlabel(time(s);ylabel(rin,yout);將仿真獲得的結果截圖后附于下面的空白處：根據(jù)上一例子中被控對象所對應的離散系統(tǒng)，S=1時是三角波的位置式響應，如圖1-8所示；S=2時是鋸齒波的位置式響應，如圖1-9所示。圖1-8S=1時三角波位置式響應圖1-9S=2時鋸齒波位置式響應實驗總結PID控制器（按閉環(huán)系統(tǒng)誤差的比例、積分和微分進行控制的調節(jié)器）自20世紀30年代末期出現(xiàn)以來，在工業(yè)控制領域得到力量很大的

11、發(fā)展和廣泛的應用。它的結構簡單，參數(shù)易于調整，在長期應用中已積累了豐富的經驗。特別是在工業(yè)控制過程中，由于被控制對象是精確的數(shù)學模型難以建立，系統(tǒng)的參數(shù)經常發(fā)生變化，運用控制理論分析綜合不僅要耗費很大代價，而且難以得到預期的控制效果。在應用計算機實現(xiàn)控制的系統(tǒng)中，PID很容易通過編制計算機程序實現(xiàn)。由于軟件系統(tǒng)的靈活性，PID算法可以得到修正和完善，從而使數(shù)字PID具有很大的靈活性和適用性。隨著計算機技術以及A/D和D/A轉換器的發(fā)展，實現(xiàn)從模擬控制器到數(shù)字控制器的等效轉換并不困難。從信號理論角度來看，模擬控制器就是模擬信號濾波器應用于反饋控制系統(tǒng)中作為校正裝置。濾波器對控制信號中有用的信號起著抑制和衰減作用。模擬控制器離散化成的數(shù)