PID控制系统仿真

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。

计算机、MATLAB软件

三、实验原理

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

式中，为比例系数；为积分系数；为微分系数；为积分时间常数；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，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。

四、实验过程

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Simulink Library Browser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：

   Math Operations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。

   Math Operations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‘List of Signs’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封装。选中上述子系统模块，再选择模型窗口菜单“Edit/Mask Subsystem”

      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：“Drawing commands”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：

   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：

所需模块及设置：Sources模块库中Step模块；Sinks模块库中的Scope模块；Commonly Used Blocks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：

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/Confiuration Parameters”，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：

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=1.7

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。

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