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1、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
2、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E(s)1KiG(s)-=Kp(1TdS)=KpKdSU(s)ss式中，Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；Ti=a为积分时间常数;KiTd=组为微分时间常数；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
3、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颤件四、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：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、K
4、i、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/CreatSubsystem封装。选中上述子系统模块，再选
5、择模型窗口菜单“Edit/MaskSubsystem”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：啾 Mask editor ：SubsystemIconParametersInitialization | DocumentationPromptVariableTypeEvaluateTunable|kpkpedit .同akikieditkdkdedit
6、17r Dialog parametersOptions for selected parameterPopups (one per line):In dialog: V Showparai 审 Enable parDialog callback: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。IzHngling*o回3、搭建一单回路系统结构框图如下图所示：.zhngling2所需模块及设置：Sources模块库中Step模块；Sinks模块库中的Scope模块；CommonlyUsedBlo
7、cks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：Far 6r 5SteptIse:Initialvalue:I。Finalvalue:SanpLetiae:R7interpretvectorpameter营az1-DEnablezerocroBsinedetectionOKCane mlMeleSBloctcParameters;Zero*PolsZero-PoleKatrizexpressionforzeros.V=c*crszsresslonforpolsandigain.OutputTidthequ且二3th
8、en.LEt*rc-fcolimnsinzeroana.tEiK上orone;ZTDa二耳mVSEtor.Paxaseteia4、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:IQBlockParameters:Subsystem设置好参数后，单击“Si
9、mulation/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(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)K
10、p=8.5,Ki=5.3,Kd=3.41015Scope昌直aaaaesIba2)Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.5HScope口回|文一身图ppp品话指0F3-501015Timeotfsd：0Scope膏首PPP施超超日专Timeoffset:0(3)Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.7HScopeI0,回区昌茴14华月i冷超超恒a4Timeoffset:0Time offset昌茴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
11、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=3.4BlockParameters:SubsystemI.身茴I庐Q网Kp=9.4,Ki=5.3,Kd=3.4ApplyTime offset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=3.4Timeoffset:PPP(4)Kp=8.5,Ki=6.1,Kd=3.4喇BlockParameters:Subsystem改变kd的值，其余两个不
12、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(6)Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=4.7.BlockParameters:SubsystefnnSufcsFites=)ask)Faromt虺工elep8.5kiKd/工IOKelHelpApp7、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线(1)P调节Kp=8旧BlockParameters:Subsystem1=膏苜A用夕ftSS313.卡Timeoffset:0(2)PI调节Kp=5,Ki=2(3)PD调节Kp=8.5,Kd=2.5Cancel加4ApplyScope台茴庐A漱寇黜El圈,Timeoffset:口(4)PID调节Kp=7.5,Ki=5,Kd=3ftBlockSubsystem1- Subsrxteaa&sk)QScoped|回|裾与茴A丹卢典01.4i1/:l：IMI_H-5IQ6-:；-限.:；H:0i1051015Timeoffset10五.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
