1、一、設計目的1 .掌握PID控制規律及控制器實現。2掌握用Simulink建立PID控制器及構建系統模型與仿真方法。二、使用設備計算機、MATLA軟件三、設計原理在模擬控制系統中，控制器中最常用的控制規律是 PID控制。PID控制器是 一種線性控制器，它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差。PID控制規律寫成 傳遞函數的形式為G(s)E(s)U(s)KP(1 TisTdS)KpKiKdS式中，Kp為比例系數；Ki為積分系數;Kd為微分系數;TiKpKi為積分時間常Td數；Kp為微分時間常數；簡單來說,PID控制各校正環節的作用如下:1比例環節：成比例地反映控制系統的偏差信號，偏差一旦產生，控制

2、器立即產生控制作用，以減少偏差。2積分環節：主要用于消除靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱 取決于積分時間常數Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之那么越強。3 微分環節：反映偏差信號的變化趨勢變化速率，并能在偏差信號變 得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度， 減少調節時間。四、上機過程1、在MATLA命令窗口中輸入“ Simulink 進入仿真界面。2、構建 PID控制器：1新建 Simulink 模型窗口選擇“File/New/Model , 在Simulink Library Browser 中將需要的模塊拖動到新建的窗口中，根據 PID 控制器的傳遞函

3、數構建出如下模型：各模塊在如下出調用：Math Operations模塊庫中的Gain模塊，它是增益。拖到模型窗口中后， 雙擊模塊，在彈出的對話框中將 Gain 分別改為 Kp、 Ki、 Kd，表示這 三個增益系數。Continuous模塊庫中的Integrator 模塊，它是積分模塊；Derivative 模塊, 它是微分模塊。Math Operations模塊庫中的Add模塊，它是加法模塊，默認是兩個輸入相 加，雙擊該模塊，將 List of Sig ns 框中的兩個加號+改為三個加號， 即+，可用來表示三個信號的疊加。Ports & Subsystems模塊庫中的In1模塊輸入端口模塊和

4、Out1模塊輸 出端口模塊。2將上述結構圖封裝成PID控制器。 創立子系統。選中上述結構圖后再選擇模型窗口菜單“Edit/CreatSubsystem 翻開封裝編輯器窗口。選中上述子系統模塊，再選擇模型窗口菜單 “ Edit/Mask Subsystem Help1.0. OLt,x-fr 丄wed 1Eile IEi evUndo MovqCtrl+ZCora.1 t RedoCtjrl+Y匚口 tCtKl+XCopyct-i+cC t l*VPast.A Cxipl.!Tripoli.Bala tCtrl*AEind .Ct-rl+FOpuiiL DIouk.laoX&rat em F%專

5、 .BILouk Fr operAi * s.-.Ctrl+*3-Mask Subsyst- . rCtrl+MLook Undsir M總Cta-l+U匚斗llp L |. nrirRefreshCtrl+KUpda.t.： Di gj：iunCtjrl+DOuM 根據需要，在封裝編輯器對話框中進行一些封裝設置，包括設置封裝文本、 對話框、圖標等。本次試驗主要需進行以下幾項設置：Icon 項：“ Drawing commandS編輯框中輸入“ disp( PID) ，如下左圖示: Parameters項：創立Kp,Ki,Kd三個參數，如下右圖示：UE !.J S E * FaimetEi3I

6、T lialJiala-i-itxEG -痕E臨KII CBnctil|He|p|ApPh1至此，PID控制器便構建完成，它可以像 Simulink自帶的那些模塊一樣,進行拖拉，或用于創立其它系統3、搭建一單回路系統結構框圖如下列圖所示:所需模塊及設置：Sources模塊庫中Step模塊；Sinks模塊庫中的Scope 模塊；Com mon ly Used Blocks 模塊庫中的 Mux 模塊和 Sum模 塊；Contin uous 模 塊庫中的Zero-Pole模塊。Step模塊，Sum模塊和Zero-Pole模塊設置如下：4、構建好一個系統模型后，就可以運行，觀察仿真結果。運行一個仿真

7、的完整過程分成三個步驟：設置仿真參數、啟動仿真和仿真結果分析。選擇菜 單“Simulation/ConfiurationParameters ，可設置仿真時間與算法等參數，如下列圖示：其中默認算法是 ode45 四/五階龍格-庫塔法，適用于大多數連 續或離散系統。5、雙擊PID模塊，在彈出的對話框中可設置PID控制器的參數Kp,Ki,Kd :設置好參數后，單擊“ Simulation/Start運行仿真，雙擊Scope示波器觀察 輸出結果，并進行仿真結果分析。比擬以下參數的結果：1Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.42Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.53Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=

8、1.76、以Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4這組數據為根底，改變其中一個參數，固定其 余兩個，以此來分別討論Kp,Ki,Kd的作用。只改變Kp，當Kp=8.5, Kp=6.7, Kp=4.2時候系統輸出曲線截圖標注只改變Ki，當Ki =5.3, Ki =2, Ki=1.8時候系統輸出曲線截圖標注；只改變Kd，當Kd=3.4, Kd =2.5, Kd=1.7時候系統輸出曲線截圖標注。7、分析不同調節器下該系統的階躍響應曲線(1) P 調節 Kp=8(2) PI 調節 Kp=5,Ki=2(3) PD 調節 Kp=8.5,Kd=2.5(4) PID 調節 Kp=7.5,Ki=5,Kd=3五實

9、驗結果1. ( 1) Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4(2) Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.5H gir程貪勵僅rp i聲(3) Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.7Kp=6.7,Ki=5.3,Kd=3.4Kp=4.2,Ki=5.3,Kd=3.4(2) Kp, Kd不變僅改變Ki;(1) Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4Kp=8.5, Ki=2 , Kd=3.4Kp=8.5,Ki=1.8,Kd=3.4E t* Mtov 單 9Mh 先貧占A fl u(3) Kp, Ki不變僅改變Kd;(1) Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=2.

10、5Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=1.73不同調節器下該系統的階躍響應曲線(1) P 調節 Kp=8：to E jwu ra fFVM M44鼻鼻倉七(4) PID 調節 Kp=7.5,Ki=5,Kd=3yi 屮 wi*-Eww 詁網*4 貞応 b 六. 總結1、P控制規律控制及時但不能消除余差，I控制規律能消除余差但控制不及 時且一般不單獨使用， D 控制規律控制很及時但存在余差且不能單獨使用。2、比例系數越小，過渡過程越平緩，穩態誤差越大；反之，過渡過程振蕩 越劇烈，穩態誤差越小；假設 Kp 過大，那么可能導致發散振蕩。Ti 越大，積分作用越弱，過渡過程越平緩，消除穩態誤差越慢；反之，過渡 過程振蕩越劇烈，消除穩態誤差越快。