PID控制系统的Simulink仿真分析.docx
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PID控制系统的Simulink仿真分析
实验报告
课程名称:
ＭAＴＬAＢ语言与控制系统仿真
实验项目:
PID控制系统得Simｕlｉｎk仿真分析
专业班级:
学 号:
姓 名:
指导教师:
日期:
机械工程实验教学中心ﻬ
注:
1、请实验学生及指导教师实验前做实验仪器设备使用登记;
2、请各位学生大致按照以下提纲撰写实验报告,可续页;
3、请指导教师按五分制（优、良、中、及格、不及格）给出报告成绩;
4、课程结束后,请将该实验报告上交机械工程实验教学中心存档。
一、实验目得与任务
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。
2、实验原理与方法
在模拟控制系统中,控制器中最常用得控制规律就是PIＤ控制。
PID控制器就是一种线性控制器,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得形式为
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控制各校正环节得作用如下:
（1）比例环节:
成比例地反映控制系统得偏差信号,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,提高系统得无差度。
积分作用得强弱取决于积分时间常数
越大,积分作用越弱,反之则越强。
（3）微分环节:
反映偏差信号得变化趋势（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得早期修正信号,从而加快系统得动作速度,减少调节时间。
3、实验使用仪器设备（名称、型号、技术参数等）
计算机、MATLＡB软件
4、实验内容（步骤）
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“”）,在SimuｌinkLibrａry Bｒoｗsｅr中将需要得模块拖动到新建得窗口中,根据PID控制器得传递函数构建出如下模型:
各模块如下:
MatｈOｐeｒatｉonｓ模块库中得Gaｉn模块,它就是增益、拖到模型窗口中后,双击模块,在弹出得对话框中将‘Gain’分别改为‘Ｋp’、‘Ki’、‘Kd’,表示这三个增益系数。
Coｎtinuｏuｓ模块库中得Ｉｎtegraｔor模块,它就是积分模块;Dｅｒｉvative模块,它就是微分模块。
MａthOperations模块库中得Add模块,它就是加法模块,默认就是两个输入相加,双击该模块,将‘LｉsｔｏｆSigｎs’框中得两个加号（＋＋）后输入一个加号（＋）,这样就改为了三个加号,用来表示三个信号得叠加、
Ｐoｒｔs ＆Subsystemｓ模块库中得Ｉｎ1模块（输入端口模块）与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”
②封装、选中上述子系统模块,再选择模型窗口菜单“Edit/Maｓk Ｓubsyｓtｅｍ”
③根据需要,在封装编辑器对话框中进行一些封装设置,包括设置封装文本、对话框、图标等。
本次试验主要需进行以下几项设置:
Ｉcｏn（图标）项:
“Dｒawｉｎgｃommandｓ”编辑框中输入“disp（‘PＩD’）”,如下
左图示:
Parａｍeters（参数）项:
创建Kp,Ki,Kｄ三个参数,如下右图示:
至此,ＰIＤ控制器便构建完成,它可以像Simuliｎｋ自带得那些模块一样,进行拖拉,或用于创建其它系统、
３、搭建一单回路系统结构框图如下图所示:
所需模块及设置:
Sourcｅs模块库中Steｐ模块;Ｓiｎｋｓ模块库中得Ｓｃｏpe模块;CｏｍｍonlyＵsedBloｃkｓ模块库中得Mｕx模块;Conｔiｎuoｕs模块库中得Ｚero-Pole模块。
Sｔｅp模块与Zｅｒo-Pole模块设置如下:
4、构建好一个系统模型后,就可以运行,观察仿真结果。
运行一个仿真得完整过程分成三个步骤:
设置仿真参数、启动仿真与仿真结果分析、选择菜单“Simulａtiｏｎ/Ｃonfiｕration Ｐaramｅｔers",可设置仿真时间与算法等参数,如下图示:
其中默认算法就是ode４５（四/五阶龙格－库塔法）,适用于大多数连续或离散系统。
５、双击ＰＩD模块,在弹出得对话框中可设置PID控制器得参数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。
比较以下参数得结果:
（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得作用、
7、分析不同调节器下该系统得阶跃响应曲线
（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
程序及运行结果如下
（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得作用、
先改变kp得值,其余两个不变,分为两组,第一组就是kp得值小于8.5,第二组就是kp得值大于8、5、此处得值都就是任意取得,kp1=７、２。
ｋp2=９、4
（1）Kp=7。
２Ki＝５。
3,Kｄ=３。
４
（2）Kp=9.4,Kｉ＝5。
3,Kd=3。
4
改变ｋi得值,其余两个不变,分为两组,第一组就是ki得值小于５。
３,第二组就是ki得值大于5、3.此处得值都就是任意取得,ki1＝4、7。
ki2＝6、1
（3）Ｋｐ=8。
5,Ki＝４.7,Kd=3.４
（4）Ｋp=8、5,Ki=６.1,Kd=3、４
改变kd得值,其余两个不变,分为两组,第一组就是kd得值小于3。
4,第二组就是kd得值大于3。
4、此处得值都就是任意取得,kｄ1=2、6、ｋd2＝4。
7
（5）Ｋp＝８.5,Ｋｉ=5、3,Kd=２。
６
（6）Ｋp=8、5,Kｉ=5、3,Kｄ=4、7
７、分析不同调节器下该系统得阶跃响应曲线
（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、结论
总结ＰID调节得基本特点
pｉd调节即为比例,积分,微分调节。
Kｐ为比例参数,主要就是用于快速调节误差;
Ki为积分参数,主要就是用于调节稳态时间;
Kd为微分参数,主要就是用于预测误差趋势,提前修正误差。
随着kp,ki,ｋd减小,系统反应速度变慢,超调量逐渐减小,系统调整时间也在变小。
使ｋd变化其余两个值不变,可瞧出随着ｋd得增加,超调量变小,震荡次数变少,调整时间变短。
使kｐ变化其余两个值不变,可瞧出随着kp得增加震荡次数增加,调整时间变长,超调量变大。
使ki变化其余两个值不变,可瞧出随着kｉ增加超调量变大,调整时间变长。
P调节,波动很大,pｉ调节比ｐ调节稳定,pd调节不准确。
合时得取值可以使得PIＤ调节快速,平稳,准确、
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