1、實驗報告課程名稱： MATLAB語言與控制系統仿真 實驗項目： PID控制系統的Simulink仿真分析 專業班級： 學 號： 姓 名： 指導教師： 日 期： 機械工程實驗教學中心1 / 23 注：1、請實驗學生及指導教師實驗前做實驗儀器設備使用登記； 2、請各位學生大致按照以下提綱撰寫實驗報告，可續頁； 3、請指導教師按五分制（優、良、中、及格、不及格）給出報告成績； 4、課程結束后，請將該實驗報告上交機械工程實驗教學中心存檔。一、 實驗目的和任務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。2、 實驗原理和方法在模擬控制系統中，控制器

2、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 式中，為比例系數；為積分系數；為微分系數；為積分時間常數；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，越大，積分作用越弱，反之則越強。（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

3、作速度，減少調節時間。3、 實驗使用儀器設備（名稱、型號、技術參數等）計算機、MATLAB軟件4、 實驗內容(步驟） 1、在MATLAB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控制器的傳遞函數構建出如下模型：各模塊如下： 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。 Contin

4、uous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 Signs框中的兩個加號（+）后輸入一個加號（+），這樣就改為了三個加號，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Out1模塊（輸出端口模塊）。（2）將上述結構圖封裝成PID控制器。 創建子系統。選中上述結構圖后再選擇模型窗口菜單“Edit/Creat Subsystem” 封裝。選中上述子系統模塊，再選擇模型窗口

5、菜單“Edit/Mask Subsystem” 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（圖標）項：“Drawing commands”編輯框中輸入“disp(PID)”，如下左圖示：Parameters(參數)項：創建Kp,Ki,Kd三個參數，如下右圖示：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，或用于創建其它系統。3、搭建一單回路系統結構框圖如下圖所示：所需模塊及設置：Sources模塊庫中Step模塊；Sinks模塊庫中的Scope模塊；Commonly Used

6、Blocks模塊庫中的Mux模塊；Continuous模塊庫中的Zero-Pole模塊。Step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/Confiuration Parameters”，可設置仿真時間與算法等參數，如下圖示：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，

7、雙擊Scope示波器觀察輸出結果，并進行仿真結果分析。比較以下參數的結果：（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這組數據為基礎，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。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程序及運行結果如下（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.42）Kp

8、=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這組數據為基礎，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。先改變kp的值，其余兩個不變，分為兩組，第一組是kp的值小于8.5，第二組是kp的值大于8.5.此處的值都是任意取得，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改變ki的值，其余兩個不變，分為兩組，第一組是ki的值小于5.3，第二組是ki的值大于5.3.此處的值都是任意取得，ki1=4.7.ki2=6.1

9、（3） Kp=8.5,Ki=4.7,Kd=3.4（4） Kp=8.5,Ki=6.1,Kd=3.4改變kd的值，其余兩個不變，分為兩組，第一組是kd的值小于3.4，第二組是kd的值大于3.4.此處的值都是任意取得，kd1=2.6.kd2=4.7（5） Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=2.6（6） Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=4.77、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=3五結論 總結PID調節的基本特點pid調節即為比例，積分，微分調節。Kp為比例參數，主要是用于快速調節誤差；Ki為積分參數，主要是用于調節穩態時間；Kd為微分參數，主要是用于預測誤差趨勢，提前修正誤差。隨著kp,ki,kd減小，系統反應速度變慢，超調量逐漸減小，系統調整時間也在變小。使kd變化其余兩個值不變，可看出隨著kd的增加，超調