PID控制系统的Simulink仿真分析教学文案.docx
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PID控制系统的Simulink仿真分析教学文案
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
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。
2、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
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。
3、实验使用仪器设备(名称、型号、技术参数等)
计算机、MATLAB软件
4、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’、‘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:
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;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:
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。
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
程序及运行结果如下
(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。
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
(2)Kp=9.4,Ki=5.3,Kd=3.4
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
(4)Kp=8.5,Ki=6.1,Kd=3.4
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
(6)Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=4.7
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
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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