PID控制系統(tǒng)的Simulink仿真分析

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1、營步N九“呼 實(shí)驗(yàn)報(bào)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(bào)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(bào)告成績; 4 、課程結(jié)束后，請將該實(shí)驗(yàn)報(bào)告上交機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心存檔。 、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

2、統(tǒng)模型與仿真方法。 PID控制。PID控制器是 PID控制規(guī)律寫成傳遞 、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制規(guī)律是 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 函數(shù)的形式為 G⑸ US Kp(1 點(diǎn) TdS) Kp Ki KdS 二為積分時間常數(shù); Ki 式中，Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)；Ti Td K包為微分時間常數(shù)；簡單來說，PID控制各校正環(huán)節(jié)的作用如下： Kp (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

3、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)Ti , Ti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) 節(jié)時間。 三、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)、MATLA顫件 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（步驟） 1、在MATLAB^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 Br

4、owser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（+）

5、,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。 ①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” ②封裝。選中上述子系統(tǒng)模塊，再選擇模型窗口菜單“Edit/Mask Subsystem” ③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

6、“ 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： 或 Mask editor ：Subsystem I 1=1 I 回 zhanglirg , 〔 o 1 ④ Mask editor ：Subsy^tem Icon Parameters initialization | Documentation r Dialog parameters Prompt Variable Type Evaluate Tunable kp kp edit a a ki ki edit ▼ .

7、kd kd edit ， 17 17 Options for selected parameter Popups (one per line): In dialog: Show pa⑶丁 Enable par Dialog JJ callback: I 二J Unmask OK Cancel Help Apply 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

8、； Commonly Used Blocks 模塊庫中的 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： ? Block Parametersj Step L_^ Step Output a. step. ParaneteTE OK I Cancel I Hein 0 Block Para meters： Zero*Pole Sere-Role yatrlz *xpreSEion for z*toe. Victor ez^regsion for po;老瓦 and gain. Output Tidt

9、h equsIe the nirzber c-f colimns in zstos satTizj； or one : zeros le 且 vector. Parameters Zeros: PQleE： |[-1 -2 -3 -43 G&in: Absolut邑 tDl&rance 二 autQ 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

10、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=,Ki=,Kd= (2) Kp=,Ki=2,Kd= (3) Kp=,Ki=,Kd= 6、以Kp=,Ki=,Kd=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

11、 調(diào)節(jié) Kp=8 (2) PI 調(diào)節(jié) Kp=5,Ki=2 (3) PDiM節(jié) Kp=,Kd= (4) PID 調(diào)節(jié) Kp=,Ki=5,Kd=3 程序及運(yùn)行結(jié)果如下 (1) Kp=,Ki=,Kd= Q Scope I 0 | 回 11^1 每圖位0月函據(jù)^A 7 ■J ? 1 A / 0 5 10 15 2) Kp=,Ki=2,Kd= 口! (3) Kp=,Ki=,Kd=

12、 5 10 15 0 昌茴）夕用於超疆立■專 5 4 3 2 ,2 ■3 -4 -5 Time otfset： 0 Time affseti 0 ? Block Parameters: Subsystem Q Scope I =,回 I 區(qū) 昌茴I(lǐng)*華角［南超超］0a專 Time offset: 0

13、 6、以Kp=,Ki=,Kd=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。 ,第二組是kp 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 的值大于 此處的值都是任意取得 9 W Block Parameters: Subsystem Scope 昌苜廬月睡遹疆日■專

14、 (1) Kp=,Ki=,Kd= 岫 Block Parameters: Subsystem □K Cancel Apply 助1r 改變ki的值，其余兩個不變，分為兩組，第一組是ki的值小于，第二組是ki的值 此 處 的 值 都 是 任 意 取 得， ki1 = BJ Scope o回 漢

15、 M Block Parameters: Subsystem M Scope | 0 回 雙 昌圖11Q Q川|糜寇疆0e/ 1.5i 1 ■ 」「—— II 1 1 I 0 5 10 15 改變 kd 的值，其余兩 個不變，分為兩組，第一組是kd的值小于，第二組是kd的值大于.此處的值都是任 意 取 得， 0 Block Parameters: Subsystem [ Time offset

16、: 0 kd1 = SubtTstex task) M Scope 回 漢 W Ip >0 p 醯國忠 0 15 I5 3 kd [Z7 OK 0 0 10 Time offset: 0 系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線 分析不同調(diào)節(jié)器下該 (1) P 調(diào)節(jié) Kp=8 Paraziet ers 二］ Cane He

17、lp Apply (2) PI 調(diào)節(jié) Kp=5,Ki=2  昌茴I(lǐng)附歷處 (3) PDiM節(jié) Kp=,Kd= M Scope [ =i 回 ] S3 J 昌圖IP為夕拗is凡1 ei a* 一 1.4i 1 1 ?rii???FT ■ n ■ ■ ■ 1 i i r n ■ ■ n ■1 g^i r ■ ■ ■ a i ■ r n ■

18、■ ■ i ■1 ■ e ■ ■ ■ n i i*" r ■ ■ ■ s i i r ■ ■ ■ a n i riiBaai-i^H [一一1 - 1 I \ J r I1 \ : : Q8 [ ■ ■ ■ 二……[二/J …一……! 一 \ y . : f y： . *…卜.一卜”…一％ T. -■■ I a J a L I n B . 1 ■ ti J H rn--i.-. . rr>>B-> . rra.-xi . rn--i.-. i rr>BB-> .JI I : r 1 - : 0 ! i 0 5 10 15 Time

19、offset: 0 (4) PID 調(diào)節(jié) Kp=,Ki=5,Kd=3 0 Block Param?ter5： Subsystem 號 ■ Subcrxtea *QAsk) ■ Faxsaet&rs ke Ik ki kd QJC Gaiicel I Help I Arply □ Scope [ d | 回 | 裾 > |p p p ft E3 0 B A 1.4i 1 \\ ： ： I M \\\ \ I [__ H - - 5 I Q6- : ； - 限. : ； H : 0 i 1 0 5 10 15 Time offset1 0

20、 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)量變小，震蕩次數(shù)變 少，調(diào)整時間變短。使kp變化其余兩個值不變，可看出隨著 kp的增加震蕩次數(shù)增 加，調(diào)整時間變長，超調(diào)量變大。使 ki變化其余兩個值不變，可看出隨著 ki增加 超調(diào)量變大，調(diào)整時間變長。 P調(diào)節(jié)，波動很大，pi調(diào)節(jié)比p調(diào)節(jié)穩(wěn)定，pd調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確。 合時的取值可以使得PID調(diào)節(jié)快速，平穩(wěn)，準(zhǔn)確