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.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:
fID控制系统的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
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。
、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
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
G(s)
E(s)
U(s)
Kp(1
1
TiS
TdS)Kp
Ki
s
K
式中,Kp为比例系数;Ki为积分系数;Kd为微分系数;Ti-为积分时间常数;
Ki
K
Td」为微分时间常数;简单来说,PID控制各校正环节的作用如下:
Kp
(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T,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(名称、型号、技术参数等)
计算机、MATLA软件
四、实验内容(步骤)
1、在MATLAB^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:
各模块如下:
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(++)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。
1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”
2圭寸装。
选中上述子系统模块,再选择模型窗口菜单“Edit/MaskSubsystem"
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:
我editor:
Subsystem
Icon
Parameters
Initialization
Dacumentation
Drawingcommands
dispCFir)
Unmask
OK
OK
Cancel
Cancel
Helip
Helip
|Visible
-
Transparency
looaaue
-Examplesofdrawingcommands
Iconoptions
Frame
CorTirnandport_la.liel(libelEp«cificports)
SyntaxportjabelCoutput1,1,邓
Prompt
Variable
Type
Evaluate
Tunable
kpkp
edit
ae
1
ki
ki
edit
¥
kd
kd
edit
▼
17
[7
rDialogparameters
列凶ajaj
icon
Parameters
Initialization
Documentation
Optionsforselectedparameter
Popups(oneperline):
Indialog:
ShowparaiEnablepar
Dialog
callback:
1二J
UnmaskOKCancelHelpApply
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
3、搭建一单回路系统结构框图如下图所示:
■zhangling2
所需模块及设置:
Sources模块库中Step模块;Sinks模块库中的Scope模块;
CommonlyUsedBlocks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:
•BlockParametersjStepL名
Outpilt3.
»二nterpretvectorparametersas1-D
Enablezerocrossingdetection
Zerc^Pole
yatrizexpressionforz^toe.VectorsiEreggionforcwi€£andgain.C^utput Paxazj&ters Zeros: PQleE: |[-1-2-3-4] G&in: Absolut叵tDl&rancez autQ 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/ConfiurationParameters”,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 辛ConFigurjlionPaTa-rm-elers;zhangling2/Configuration 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=,Ki=,Kd= (2)Kp=,Ki=2,Kd= (3)Kp=,Ki=,Kd= 6以Kp=,Ki=,Kd=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。 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=,Kd= (4)PID调节Kp=,Ki=5,Kd=3 程序及运行结果如下 (1)Kp=,Ki=,Kd= QScopeI9回 寻自口「盹 p■11」 051015 2)Kp=,Ki=2,Kd= ftBlockParametersiSubsystem U,|回|u] Scope Timeotfset: 0 唇皆ppp盹IS谒0 (3)Kp=,Ki=,Kd= ”BlockParameters: Subsystem SubsystemSask) ParameterskP ki [77 kd OK Cancel Help1 Apply1 j Ia回 BlScope [ppp盹謫諳◎ Timeoffset: 0 14 1.2 o.e O.E 0.4 0.2 0 051015 Timeoffset: 0 6以Kp=,Ki=,Kd=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。 先改变kp的值,其余两个不变,分为两组,第一组是kp的值小于,第二组是kp的值大于•此处的值都是任意取得,kp仁 5 决lp 4 2 06 0.4 0 10 15 (1)Kp=,Ki=,Kd= 昌固g矗兀盹ta諳ba 02 Titneoffset: i—SukzTiteataa>k: Faraaeteis Cancel Apply 吕BlockParameters: Subsystem 2 十 08 0.2 5 10 15 Timeoffset 回 am 0 HScope PPP 改变ki的值,其余两个不变,分为两组,第一组是ki的值小于,第二组是ki的值 此处的值都是任意取得 QBlackParameters: Subsystem OK Cancel 购P Apply ki1= |]ScopeIo回羽 寻自1戸处[盹 羽BlockParameters: Subsystem 3Scope〔o回盘. 嘗茴Q掘兌盹翁逼BA 1.5 0.5 0IItl D51015 改变kd的值,其余两 Timeoffset: 0 个不变,分为两组,第一组是kd的值小于,第二组是kd的值大于.此处的值都是任 ”BlockParameteits: Subsystem Farsister» OK Cancel kd仁 回 MScope 僅自Q0Q盹屆諳日咼垢 1.5 1 0.5 0 051015 Timeoffset: 0 HBlockParameters: Subsystem 系统的阶跃响应曲线 分析不同调节器下该 (1)P调节Kp=8 Parazieters 工] 工] 回抚 孕自P>s)P届USS0■垢 (2)PI调节Kp=5,Ki=2 号BlockParameters: Subsystem SLLfcSTEt巨二.二玄唇比; PaT&3^teTS Apply (3)PD调节Kp=,Kd= 只BlockParameters: Subsystem Subs7Ete=(nask} Parszi&terE ki> |s.5 ki QK Cancel H^lp Apply| (4)PID调节Kp=,Ki=5,Kd=3 吕BlockParameters: Subsystem i-SubEr±tea: bask}■ 五•结论 总结PID调节的基本特点 pid调节即为比例,积分,微分调节。 Kp为比例参数,主要是用于快速调节误差; Ki为积分参数,主要是用于调节稳态时间; Kd为微分参数,主要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,可看出随着kd的增加,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,可看出随着kp的增加震荡次数增加,调整时间变长,超调量变大。 使ki变化其余两个值不变,可看出随着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 合时的取值可以使得PID调节快速,平稳,准确
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- PID 控制系统 Simulink 仿真 分析