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1、MATLAB与系统仿真大 作业 系 别：电子信息工程系 班 级；08机械4班 姓 名：李其志 学 号：200800606423 指导教师：姚 金 邮 箱：2011年7月2日 一、带饱和输出特性PID控制系统的被控对象为=，其PID控制器为=5+。以与为前向通道的单位负反馈系统。试对于PID控制器分别采用以下3种办法：PID控制3个分量叠加、传递函数方框图与PID控制子系统绘制其Simulink仿真模型图，并对其进行阶跃仿真。然后对PID控制子系统进行封装。（结合P141例7-5、P144例7-6）（本题20分）【解】：【1】分析：根据题意，已知PID控制器为=5+,即。PID的三个作用分量，仿
2、真时可采用下列处理措施：PID控制3个分量叠加法传递函数方框图法PID控制子系统及其Simulink仿真模型图法。【2】PID的三个分量叠加法： 将PID的三个分量叠加作用直接绘制在系统中的Simulink模型li1.mdl如图1.1所示。图中的阶跃信号为“1”，即单位阶跃作用，三信号叠加模块“Add”混路模块“Mux”，饱和特性为“1.1”，时间延迟“60”s，仿真时间为“2000”s。图1.11 PID控制三个分量叠加的Simulink模型li1.mdl 在模型li1.mdl图中，选中【Simulation】并执行其【Star】菜单项命令，再用鼠标左键双击“Scoope”示波器，即弹出图1
3、.12所示系统输出示波器对话框，如果需要的话，用鼠标左键单击工具栏的纵坐标刻度管理工具【简图】，就得到如图1.12所示系统的单位阶跃给定响应曲线。图1.12 系统的单位阶跃给定响应曲线【3】传递函数方框图法。将PID的三个分量叠加作用（求和）同分后求得一个传递函数，即=5+=。将传递函数绘制在系统中的Simulink模型li2.mdl如图1.13所示。对模型li2.mdl进行仿真，结果同样得到图1.12所示系统的单位阶跃给定响应曲线。图1.13 PID控制传递函数方框的Simulink模型li2.mdl【4】 PID控制子系统定义法。定义子系统。先到Simulink库浏览器的“Commonly
4、 Used Blocks”模块组中把标准功能模块“Subsystem”复制到空白模型设计区域（“untitled”）内，还复制其他模块，将其连成系统如图1.14所示，模型命名为“li3.mdl”后存盘。图1.14 PID控制子系统的Simulink模型li3.mdl用鼠标左键双击“Subsystem”，将会弹出“li3/Subsystem”的设计区。在“li3/Subsystem”的设计区域（见图1.15）中进行如图1.16所示的PID控制器的设计（复制各个标准功能模块，连线构成系统模型），或者将设计好的PID控制器模型复制到其中，并在输入与输出端假如“In”和“Out”两个功能模块（见图1.
5、15）。模型设计完后，要注意存盘。至此，子系统创建完成。图1.15 PID控制子系统Subsystem的Simulink模型li3/Subsystem PID控制系统仿真。对模型li3.mdl进行仿真，结果也得到图1.12所示系统的单位阶跃响应曲线。【5】子系统的封装步骤（1） 用PID控制子系统封装的步骤。在li3.mdl中的Subsystem模块更换为一个没有涉及的空Subsystem模块。 在“li3/Subsystem”的设计区域（见图1.15）中进行如图1.16所示的PID控制器的设计，输入数据并存盘。 图1.16 准备封装的子系统li3/Subsystem 再在模型li3.mdl中
6、，选中“Subsystem”，选择主菜单【Edit】，执行其下的【Mask Subsystem.】或【Edit Mask】菜单项命令，打开【Mask edit】即子系统的封装编辑器。封装编辑器中有四张标签页，所谓完成封装操作，就是按要求填写接下来的四张标签页， 填写第1张标签页“Icon”。此时仅在“Drawing commands”下的空白文本框中填入“disp（PID）”，并在下面的“Examples of drawing commands”的“Command”下拉框中选择“disp（show text in center of block）”，如图1.17所示。图1.17 “Icon”标
7、签页 填写第2张标签页“Parameters”。第2张标签页左部有【Add】、【Delete】、【Move Up】与【Move Down】4个按钮，用这4个按钮并填表如图1.18所示，只能有3行数据，否则不能完成封装。图1.18 “Parameters”标签页 填写第3张标签页“Initialization”，如图1.19所示。图1.19 “Initialization”标签页 填写第4张标签页“Documentation”。在各栏中填入信息，如图1.20所示。最后按下【OK】按钮已确认输入的信息。图1.20 “Documentation”标签页（2） 再回到模型窗口li3.mdl中，用鼠标左
8、键双击被封装子系统“Subsystem”图标，立即弹出子系统模块带参数说明对话框，在各栏中填入参数，如图1.21所示。图1.21 封装子系统后的模块参数功能（3）封装子系统后，即得到图1.14所示的Simulink模型li3.mdl，如图1.22所示，此时子系统“Subsystem”图标上标注了“PID”，说明封装成功。图1.22 封装PID控制子系统的Simulink模型完成封装后，单击图1.21所示的模块参数功能图的下方按钮【Help】，立即弹出封装标签的帮助对话框，如图1.23所示。图1.23 封装标签的帮助说明（4）封装PID控制子系统仿真。在对模型li3.mdl即图1.22进行仿真，
9、结果也得到图1.12所示系统的单位阶跃给定响应曲线，说明封装PID控制子系统的操作正确。二、例17-9：试用“SimPowerSystems”实体图形化模型库的模块建立转速闭环直流脉宽PWM-M调速系统的仿真模型，并对其进行仿真。（结合P334页的例17-10、P337页的例1711）（本题20分）【解】1. 转速闭环直流脉宽PWM-M调速系统仿真模型li06.mdl如图1.21所示。2.仿真模型使用模块的提取与参数设置（1）所需模块直流电源 DC220V 直流电动机 DC Machine 电压测量 Ua 选路器 Selector 增益模块 Gain 示波器 Scope 分路器 Demux 代
10、数求和模块 Sum 传递函数模块 Transfer Fcn 常量模块 Constant 11.多功能桥式整流电路 Universal Bridge 12.脉宽调制PWM脉冲发生器 PWM Generator三、某温度过程控制系统被控广义对象的传递函数为：，式中：K=10（/kg）/min，T=50s，=80/5s，试用Cohen-Coon整定公式计算系统串联P、PI、PD、PID校正器的参数，并进行阶跃给定响应的仿真。要求利用题目一已经封装好的PID控制器进行仿真，合理调整P、I、D三个参数，还可以随意再增加适当的环节，使最后的仿真曲线效果要求尽量达到超调量较小，响应速度较快，振荡次数较少的最
11、佳效果。（结合P401例18-10）（本题20分）【解】：利用函数kttau（）先求被控对象传递函数拟合成带延迟惯性环节的三个参数K、T、。再利用cc01()函数计算系统P、PI、PD、PID四、对于传递函数为的归一化二阶系统，制作一个能绘制该系统单位阶跃响应的图形用户界面。本例演示要求分别采用纯MATLAB程序（参考例10.1-1所示）和GUI控件（参考例10.6.2-1所示）两种形式来实现，要求写出两种不同实现方式的详细设计步骤，要有程序代码和界面设置截图。（本题30分）具体技术要求：（1）主体图形界面与图形用户界面GUI制作.doc中例10.1-1和例10.6.2-1的显示界面大体类似，
12、起始阻尼比设置为0.707，并在按【Enter】键后，在轴上画出默认的相应的红色曲线，坐标范围：X轴0,20；Y轴0,2.5。h_axes=axes(parent,h_fig,. unit,normalized,position,0.1,0.15,0.55,0.7,. xlim,0 20,ylim,0 2.5,fontsize,8);设定X轴和Y轴z=0.707;设定 起始阻尼比设置为0.707set(hline,color,r);设定 默认的相应的红色曲线GUI界面；（2）菜单有【Options】选项，在菜单【Options】下，有2个下拉菜单项【Box on】和【Box off】；缺省时默
13、认为Box off 状态（参考例10.1-1 和例10.6.2-1）。h_menu=uimenu(gcf,label,Options); h_submenu1=uimenu(h_menu,Label,Box on, . Callback,box on, , . set(gca,box,on);) h_submenu2=uimenu(h_menu,Label,Box off, . Callback,box off, , . set(gca,box,off);)缺省时：set(gca,box,off);GUI界面：（3）在点击【Grid on】或【Grid off】按键时，在轴上画出或删除“分格线
14、”；缺省时，无分格线。h_push1=uicontrol(h_fig,style,push,. unit,normalized,position,0.67,0.25,0.1,0.1,. string,grid on,callback,grid on);h_push2=uicontrol(h_fig,style,push,. unit,normalized,position,0.67,0.15,0.1,0.1,. string,grid off,callback,grid off);GUI： （4）所设计的界面和其上的图形对象、控件对象都按比例缩放，位置可以任意放置。全部控件都设为normalizedGUI 一样（5）创建一个与该曲线相联系的现场菜单能随时改变曲线的颜色，要求能设置改变5种不同的颜色（参考例10.3.4-1）。cm
