实验四PID控制系统的Simulink

1、自动控制理论上机实验报告学院：机电工程学院 班级： 13 级电信一班 姓名：学号：1 / 11实验四 PID 控制系统的 Simulink 仿真分析一、实验目的和任务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。、实验原理和方法在模拟控制系统中，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 aG(s)E(s)U (s)K p (11TisTds) K pKisKdsK式中， K P为比例系数； K i为积分系数； K d为微分

2、系数； Tip 为积分时间常KiK数；Td KKdp 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。三、实验使用仪器设备 计算机、 MATLAB软件四、实验内容 （ 步骤）1 、在

3、 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 Simulink Library Browser 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：2 / 11各模块如下：Math Operations 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； Deri

4、vative 模块， 它是微分模块。Math Operations 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 List of Signs 框中的两个加号（ +）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。 创建子系统。选中上述结构图后再选择模型窗口菜单“ Edit/Creat Subsystem”封装 。选中上述子 系统模块，再选择模 型窗口菜单“ Edit/Mask Subsy

5、stem”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：“ Drawing commands”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：3 / 11至此， PID 控制器便构建完成，它可以像 Simulink 自带的那些模块一样，进行 拖拉，或用于创建其它系统。4 / 113、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 模块库中的 Sc

6、ope模块； CommonlyU sed Blocks 模块库中的 Mux模块； Continuous 模块库中的 Zero-Pole 模块。 Step 模块和 Zero-Pole 模块设置如下：5 / 114、构建好一个系统模型后，就可以运行，观察仿真结果。运行一个仿真的完整 过程分成三个步骤：设置仿真参数、启动仿真和仿真结果分析。选择菜单 “ Simulation/Confiuration Parameters”，可设置仿真时间与算法等参数，如下图示：其中默认算法是 ode45（四/五阶龙格 -库塔法），适用于大多数连 续或离散系统。6 / 115、双击 PID模块，在弹出的对话框中可设置

7、 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=3.42)Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.57 / 113)Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.7固定其余两6、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， 个，以此来分别讨论 Kp,Ki,Kd 的作用。Kp=8.5 Ki=5.3 改变 Kd=5Kp=8.5 改变 Ki=7.3 Kd=3.48 / 11改变 Ki=9.5 K

8、d=5.3 Ki=3.47、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线1)P 调节 Kp=82) PI 调节 Kp=5,Ki=29 / 113) PD调节 Kp=8.5,Kd=2.54)PID 调节 Kp=7.5,Ki=5,Kd=3五实验总结 在本次实验中，不同于以往的自动控制实验，这次使用的 simulink ，将实 验要求中的图形和参数绘制， 在这上面花费的巨大的精力， 通过修改参数， 得出 不同的实验结果。PID 控制各校正环节的作用如下：10 / 11（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