simulinkPID仿真.docx

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simulinkPID仿真

simulink--PID仿真

一、设计目的

1．掌握PID控制规律及控制器实现。

2．掌握用Simulink建立PID控制器及构建系统模型与仿真方法。

二、使用设备

计算机、MATLAB软件

三、设计原理

在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是PID控制。

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。

PID控制规律写成传递函数的形式为

式中，

为比例系数；

为积分系数；

为微分系数；

为积分时间常数；

为微分时间常数；简单来说，PID控制各校正环节的作用如下：

（1）比例环节：

成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

（2）积分环节：

主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。

（3）微分环节：

反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

四、上机过程

1、在MATLAB命令窗口中输入“Simulink”进入仿真界面。

2、构建PID控制器：

（1）新建Simulink模型窗口（选择“File/New/Model”）,在SimulinkLibraryBrowser中将需要的模块拖动到新建的窗口中，根据PID控制器的传递函数构建出如下模型：

各模块在如下出调用：

MathOperations模块库中的Gain模块，它是增益。

拖到模型窗口中后，双击模块，在弹出的对话框中将‘Gain’分别改为‘Kp’、‘Ki’、‘Kd’，表示这三个增益系数。

Continuous模块库中的Integrator模块，它是积分模块；Derivative模块，它是微分模块。

MathOperations模块库中的Add模块，它是加法模块，默认是两个输入相加，双击该模块，将‘ListofSigns’框中的两个加号（++）改为三个加号，即（+++），可用来表示三个信号的叠加。

Ports&Subsystems模块库中的In1模块（输入端口模块）和Out1模块（输出端口模块）。

（2）将上述结构图封装成PID控制器。

①创建子系统。

选中上述结构图后再选择模型窗口菜单“Edit/CreatSubsystem”

5、双击PID模块，在弹出的对话框中可设置PID控制器的参数Kp,Ki,Kd：

设置好参数后，单击“Simulation/Start”运行仿真，双击Scope示波器观察输出结果，并进行仿真结果分析。

比较以下参数的结果：

（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=1.7

6、以Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4这组数据为基础，改变其中一个参数，固定其余两个，以此来分别讨论Kp,Ki,Kd的作用。

只改变

，当

=8.5,

=6.7,

=4.2时候系统输出曲线截图标注;

只改变

，当

=5.3,

=2,

=1.8时候系统输出曲线截图标注;

只改变

，当

=3.4,

=2.5,

=1.7时候系统输出曲线截图标注。

7、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线

（1）P调节Kp=8

（2）PI调节Kp=5,Ki=2

（3）PD调节Kp=8.5,Kd=2.5

（4）PID调节Kp=7.5,Ki=5,Kd=3

五．实验结果

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=1.7

2以Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4这组数据为基础，改变其中一个参数，固定其余两个。

（1）Ki，Kd不变仅改变Kp；

Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4

Kp=6.7,Ki=5.3,Kd=3.4

Kp=4.2,Ki=5.3,Kd=3.4

（2）Kp，Kd不变仅改变Ki；

（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4

Kp=8.5,Ki=2,Kd=3.4

Kp=8.5,Ki=1.8,Kd=3.4

（3）Kp，Ki不变仅改变Kd；

（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4

Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=2.5

Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=1.7

3不同调节器下该系统的阶跃响应曲线

（1）P调节Kp=8

（2）PI调节Kp=5,Ki=2

（3）PD调节Kp=8.5,Kd=2.5

（4）PID调节Kp=7.5,Ki=5,Kd=3

六.总结

1、P控制规律控制及时但不能消除余差，I控制规律能消除余差但控制不及时且一般不单独使用，D控制规律控制很及时但存在余差且不能单独使用。

2、比例系数越小，过渡过程越平缓，稳态误差越大；反之，过渡过程振荡越激烈，稳态误差越小；若Kp过大，则可能导致发散振荡。

Ti越大，积分作用越弱，过渡过程越平缓，消除稳态误差越慢；反之，过渡过程振荡越激烈，消除稳态误差越快。

Td越大，微分作用越强，过渡过程趋于稳定，最大偏差越小；但Td过大，则会增加过渡过程的波动程度。

3、P和PID控制器校正后系统响应速度基本相同（调节时间ts近似相等），但是P控制器校正产生较大的稳态误差，而PI控制器却能消除余差，而且超调量较小。

PID控制器校正后系统响应速度最快，但超调量最大。