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西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-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。二、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sKsKiKsTsTKsUsEsGdpdip)11()()()(式中，PK为比例系数；iK为积分系数；dK为微分系数；ipiKKT为积分时间常数；pddKKT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iT，iT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、MATLAB软件四、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“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：西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-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/CreatSubsystem”②封装。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：西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-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。西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-3、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模块库中的Scope模块；CommonlyUsedBlocks模块库中的Mux模块；Continuous模块库中的Zero-Pole模西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-块。Step模块和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。西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-5、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=1.76、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。7、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-（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西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-2）Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.5西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-（3）Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.7西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-6、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。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8.5，第二组是kp的值大于8.5.此处的值都是任意取得，kp1=7.2.kp2=9.4（1）Kp=7.2Ki=5.3,Kd=3.4西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-（2）Kp=9.4,Ki=5.3,Kd=3.4西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-改变ki的值，其余两个不变，分为两组，第一组是ki的值小于5.3，第二组是ki的值大于5.3.此处的值都是任意取得，ki1=4.7.ki2=6.1（3）Kp=8.5,Ki=4.7,Kd=3.4西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-（4）Kp=8.5,Ki=6.1,Kd=3.4西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-改变kd的值，其余两个不变，分为两组，第一组是kd的值小于3.4，第二组是kd的值大于3.4.此处的值都是任意取得，kd1=2.6.kd2=4.7（5）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=2.6西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-（6）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=4.7西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-7、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线（1）P调节Kp=8西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-（2）PI调节Kp=5,Ki=2西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-（3）PD调节Kp=8.5,Kd=2.5西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-（4）PID调节Kp=7.5,Ki=5,Kd=3西安工程大学机械工程实验教学中心实验报告课程名称：MATLAB语言与控制系统仿真实验项目PID控制系统的Simulink仿真分析实验日期：专业班级：学号：姓名：实验成绩：指导教师：批改日期：-1-五．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