过程计算机控制综合课程设计

1、学 号：课 程 设 计题 目 过程计算机控制综合 学 院 机电工程学院 专 业 班 级 姓 名 指导老师 2012 年 6 月 19 日目录1、设计任务12、MATLAB/SIMULINK软件简介43、模型建立及仿真43.1建模前准备 53.1.1运行matlab,启动simulink工具箱 33.1.2新建一个空白模型窗口 33.2建立simulink模型 53.2.1选取所需要的模块 33.2.2对部分模块进行参数及模块名的修改 33.2.3模块的连接 53.3 模型仿真 53.3.1比例（P）控制时开环系统的单位阶跃响应 33.3.2比例（P）控制 33.3.3比例积分（PI）控制 33

2、.3.4比例积分微分（PID）控制 34、在干扰作用下系统仿真44.1 加入扰动信号模块 54.2 扰动信号模块参数修改 6 4.3开始仿真 15、结果与讨论45.1课程设计结果分析 55.2小结及体会61.设计任务设被控对象的传递函数是建立Simulink模型：采用Ziegler- Nichols经验公式对PID参数进行整定，从而确定比例放大系数Kp，积分时间常数Ti,微分时间常数Td。最后，通过在t=4000s时，外加一个幅值为15的扰动信号来验证该控制系统的控制效果。2.MATLAB/SIMULINK软件简介MATLAB名字由MATric和LABoratory两词的前三个宁母组合而成，M

3、athWorks公司开发。MATLAB的内核采用C语言编写,除具有的数值计算功能外，还具备了数据图视等功能。1980年美国Cleve Mo1er博士研制的MATMB语言从它一诞就引起了控制界学者的注目，它的简洁和高效对后来的控制理论以及计算机辅助设计起到了巨大的推动作用。MATIAB是以复数矩阵作为基本编程单元的一种程序设计语言，它提供了各种矩阵的运算操作，并具有较强的绘图功能。MATMD在应用代数、数理统汁、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等领域都具有广泛的应用。在国际学术界，MATLAB已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。随着新版本的不断推出、MAT

4、LAB无论在界面上还是在内容上都得到不断完善，并拥有了很多应用在控制领域的工具箱，MATLAB已经成为当今国际控制界应用最广也是最受人们喜爱的一种软件环境。MATLAB具有用法简易、可灵活运用的特点，利用其丰富的函数资源，可使编程人员从繁琐的代码中解脱山来。 MATLAB用更直观、更符合人们思维习惯的代码，代替了C语言和FORTRAN语言的冗长代码，给用户带束的是最直观、最简洁的程序开发环境.Simulink 中的“Simu”一词表示可用于计算机仿真，而“Link”一词表示它能进行系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。作为MATLAB最重要的工具箱之一，其主要功能是实现动态系统

5、的建模、仿真与分析。Simulink可以在构建实际系统前，预先对系统进行仿真与分析，并对系统做适当的修正，或者对系统的参数做适当的调整，以提高系统的性能，减少系统设计中反复修正的时间，实现高效率开发系统的目的。Simulink不但可以对线性系统和非线性系统进行仿真，也可以对连续系统和离散系统进行仿真。同时，它还可以对具有多种采样速率的复杂系统进行仿真。Simulink提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入/输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的。通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型(以.mdl文件进行存取)，进而进行仿真与分

6、析。3.模型建立及仿真3.1建模前准备3.1.1、运行matlab,启动simulink工具箱双击桌面图标，运行matlab软件，然后在MATLAB命令窗口输入Simulink并回车键（如图3-1所示），即弹出图示的模块库窗口界面(Simulink Library Browser)。该界面右边的窗口给出Simulink所有的子模块库（如图3-2所示）。图3-1图3-23.1.2 新建一个空白模型窗口模型窗口用来建立系统的仿真模型。只有先创建一个空白的模型窗口，才能将模块库的相应模块复制到该窗口，通过必要的连接，建立起Simulink仿真模型。也将这种窗口称为Simulink仿真模型窗口。新建方

7、法：在MATLAB主界面中选择FileNewModel（如图3-3所示），弹出一个空白模型窗口（如图3-4所示）图3-3图3-43.2建立simulink模型图3-53.2.1选取所需要的模块单击所需要的模块，直接拖入之前新建的空白模型窗口中，然后将各个模块摆放到指定的相对位置。图3-6选择“Simulink”“sources” 选择“Simulink”“Math operations” 、选择“Simulink”“Continuous” 、 选择“Simulink”“Sinks” 将以上模块全部拖入模型窗口后，得到图3-7图3-73.2.2 对部分模块进行参数及模块名的修改（1）模块名的修改

8、鼠标左键单击所需修改的模块名，直接修改得到图3-8将改为，将改为，将改为图3-8（2）模块参数的修改鼠标左键双击要修改的模块，弹出模块参数对话框（如图3-9），将参数修改成所需的参数即可。图3-9双击 弹出改为同理，分别将， ， ，。设置延迟时间，双击弹出改为所有参数及模块名修改完成后得到图3-10图3-103.2.3模块的连接1. 模块间连线先将光标指向一个模块的输出端，待光标变为十字符后，按下鼠标键并拖动，直到另一模块的输入端。2. 信号线的分支和折曲(1) 分支的产生将光标指向信号线的分支点上，按鼠标右键，光标变为十字符，拖动鼠标直到分支线的终点，释放鼠标；或者按住Ctrl键，同时按下鼠

9、标左键拖动鼠标到分支线的终点。(2) 信号线的折线选中已存在的信号线，将光标指向折点处，按住Shift键，同时按下鼠标左键，当光标变成小圆圈时，用鼠标拖动小圆圈将折点拉至合适处，释放鼠标。连接完成后，得到图3-11图3-113.3 模型仿真图3-11中，“Integrator”为积分器，“Derivative”为微分器，“Kp”为比例系数，“Ti”为积分时间常数，“Td”为微分时间常数。进行P控制器参数整定时，微分器和积分器的输出不连到系统中，在Simulink中，把微分器和积分器的输出连线断开即可。同理，进行PI控制器参数整定时，微分器的输出连线断开。3.3.1 比例（P）控制时开环系统的单

10、位阶跃响应Ziegler- Nichols整定的第一步是获取开环系统的单位阶跃响应，在Simulink中，把反馈连线、微分器的输出连线、积分器的输出连线都断开，“Kp”的值置为1，连线得：图3-12（1）选定仿真时间按“Ctrl+E”,弹出一个对话框，将Stoptime设置为5000，点“OK”。（2）仿真运行单击工具栏中的，仿真运行。（3）运行完毕后，双击“Scope”得到结果：图3-133.3.2 比例（P）控制根据Ziegler- Nichols经验公式，可知P控制整定时，比例放大系数Kp=0.25，将“Kp”的值置为0.25，并连上反馈连线，得：双击弹出改为，单击“OK”，得到图3-1

11、4选定仿真时间，仿真运行，运行完毕后，双击“Scope”得到结果：图3-15上图即为P控制时系统的单位阶跃响应。3.3.3 比例积分（PI）控制根据Ziegler- Nichols经验公式，可知PI控制整定时，比例放大系数Kp=0.225，积分时间常数Ti=594,将“Kp”的值置为0.225,“1/Ti”的值为1/594，将积分器的输出连线连上，得：双击弹出改为，单击“OK”，得到双击 弹出改为，单击“OK”，得到图3-16选定仿真时间，仿真运行，运行完毕后，双击“Scope”得到结果图3-17上图即为PI控制时系统的单位阶跃响应。3.3.4 比例积分微分（PID）控制根据Ziegler-

12、Nichols经验公式，可知PID控制整定时，比例放大系数Kp=0.3，积分时间常数Ti=396,微分时间常数Td=90,将“Kp”的值置为0.3,“1/Ti”的值为1/396，“Td”的值置为90，将微分器的输出连线连上，得：双击弹出 改为，单击“OK”，得到双击弹出改为 ，单击“OK”，得到图3-18选定仿真时间，仿真运行，运行完毕后，双击“Scope”得到结果：图3-194.在干扰作用系统仿真由以上三图同样可以看出，P、PI控制二者的响应速度基本相同，但系统稳定的输出值不同。PI控制超调量比P控制的要小一些。PID控制比前者的响应速度都快，但超调量最大。针对该PID 控制器，我们可以通过

13、外加扰动信号来测试其控制效果。我们在t=4000s时，外加一个幅值为15的扰动信号（利用signal Builder）：4.1 加入扰动信号模块在“simulink”“sources”在“simulink”“Math Operations” 连线后得到图4-1：图4-14.2 扰动信号模块参数修改（1）双击弹出对话框，如图4-2图4-2 （2）在菜单栏中选择“Axes”“Chang Time Range”弹出修改为点击OK后得到下图4-3图4-3（3）拖动最左端的扰动信号线得到下图图4-41)取左边界线。修改参数为将 修改为2)选取右边界线。修改参数将 修改为 3）选取上边界线。修改参数将修改

14、为扰动信号线参数设置完成后得到图4-5图4-5（4）在菜单栏中选择“Axes”“Chang Time Range”弹出将修改为 得到下图图4-64.3开始仿真扰动信号参数设置完成，已加到系统输入端，选定仿真时间为8000，仿真运行，运行完毕后，双击“Scope”得到结果：图4-75.结果与讨论5.1课程设计结果分析当系统稳定后，若加一个扰动信号，PID控制器可以很快对被控对象的响应进行校正，使其尽快稳定。由上图可以看出，该PID 控制器效果良好。从系统接入PID 控制器前后的阶跃响应曲线中, 我们可以明显地看到系统性能的改善。利用MATLAB/Simulink可以实现PID 控制器的离线设计和

15、整定, 并可实现实验室仿真。但是这种常规的PID 控制不具有自适应性, 在长期工作时对象参数会产生偏移, 系统具有时变不确定性, 也存在非线性, 工况点附近小范围的线性化假设在整个工作范围中不能成立时, 就难以达到理想的控制效果。为此, 我们可以考虑自适应的PID 控制算法。5.2小结及体会： 通过两周的课程设计，以及对matlab/simulink软件有了一个大概的了解，也学会了它的一些基本功能。之前的控制工程基础课上有讲过PID，那时也只是有了一个很抽象的了解。这次的课程设计，通过matlab这个软件，对PID有了一个较为感性的认知。通过查阅资料，我知道了PID控制，在控制领域的重要性，它是其他控制思想的基础。由课程设计题目，也可以看出，这是一个验