1、自动控制理论上机实验报告学院：机电工程学院 班级：13 级电信一班姓名：学号：实验四 PID 控制系统的 Simulink 仿真分析一、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 asKisTKsUEGdpdip )1()(式中， 为比例系数； 为积分系数； 为微分系数； 为积分时间PKi d ipiT常数； 为微分时间常数；pdT简单来说，
2、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。iTi（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 Simul
3、ink 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
4、，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。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”封装。选中上述子系统模块，再选择模型窗口菜单“Edit/Mask Subsystem”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：“Drawi
5、ng 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
6、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、.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。Kp=8.5 Ki=5.3 改变 Kd=5Kp=8.5 改变 Ki=7.3 Kd=3.4改变 Ki=9.5 Kd=5.3 Ki=3.47、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=3五实验总结在本次实验中，不同于以往的自动控制实验，这次使用的 simulink，将实验要求中的图形和参数绘制，在这上面花费的巨大的精力，通过修改参数，得出不同的实验结果。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。iTi（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。
