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1、一、设计目的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。二、使用设备计算机、MATLA软件三、设计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E（s）1KiG（s）Kp（1TdS）= KpKdSU （s） pTiSp sTi式中，Kp为比例系数；Ki为积分系数；为微分系数；Ki为积分时间常数;Td咱为微分时间常数；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
2、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Ti，Ti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、上机过程1、在MATLA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
3、中，根据 PID 控制器的传递函数构建出如下模型：各模块在如下出调用：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 Sig ns 框中的两个加号（+）改为三个加号， 即（+），可用来表示三个信号的叠加。Ports & Subsyst
4、ems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/CreatSubsystem”CfULtCtrl+XCtrl+CGpyEstePsbw 七 w Quip Is C&tfl! Inp or ILD_L 1 aSelect AllCepy Model To Clipbear dind- . .Ctrl+FCtrl+Vat. aCtrl+AInte orator=* du/dtdui/dtauuOeinvativeOeinvative4-in-*1Add“ Edit/Mask
5、 Subsystem| NormalUndo MftveCtrl+ZC All. t It a d oCtrl+TCutCtrl+XCopyCtrl+CEastsCtr丄+VF ai t e Dupli cate Znp Qi-1et eSalact AJL1Ctrl+ACopy Mckdttl To d.ipbctrdlixid_ . _匚tri+rOp.n BlockMaeIjc Fiur -mjti q t ar s:.=SibSyst.am Purir =.Elocls Frer_ .Create SixibsEstsmCtrl+GIMaS-k SMibsysteeteEs: unti
6、tled/Conf iurat ion1719alct;!- :SdIva r:-Mt鱼 I HAT I /EHQrt- 0ii：Ini sat Son- Difi.EJwsti csi i- S&.TiE e Tins:;-Ijats IntErityI=HConftecUvsir- Ccmpalibili If: Mode R.ef erencinE;-lUidm r liapl n&EL . 卜-Xq屛】 祜料艸口明MWoiJisJu&p:-Cement 昌: Srmbol:-Cuxtaia Codai- Jbui!-1 n.te-j faceSinnLL&.ton. tihStall
7、tlh；$gp iLi恤占 stei sizeIni14.1 si ep size:SoItci-：RelaUve toer&neeA-bsoLut a tolara.nca*ra crSElnK controL:l-3a.uto5、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=1.76、以Kp=8
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。只改变Kp，当Kp=8.5, Kp=6.7, Kp=4.2时候系统输出曲线截图标注只改变Ki，当Ki =5.3, Ki =2, Ki =1.8时候系统输出曲线截图标注；只改变Kd，当Kd=3.4, Kd =2.5, Kd=1.7时候系统输出曲线截图标注。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=3五实验结果1. ( 1
9、) 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=1.72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。(1) Ki, Kd不变仅改变Kp;Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4Fli Edl Vtaw Irmrl TkJi Kxp- WrdwvKp=8.5,Ki=5.3rKd=A,4Kp=6.7,Ki=5.3,Kd=3.4唇 gdl VvWWtavP.PP A&Q 9Kp=4.2,Ki=5.3,Kd=3.4毀 |H av iMH Wt ftalHjifA JH 9
10、i 4(2) Kp, Kd不变仅改变Ki;(1) Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4H &wupe.;剧仪Kp=8.5, Ki=2 , Kd=3.4Kp=8.5,Ki=1.8,Kd=3.4(3) Kp, Ki不变仅改变Kd;(1) Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4(2) PI 调节 Kp=5,Ki=2Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=2.5A f JJB-十卄*- s*Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=1.7Dl 虫黑匸 E ai t-v3不同调节器下该系统的阶跃响应曲线(1) P 调节 Kp=8出13也帀(2) PI 调节 Kp=5,Ki=2(2) PI 调节 Kp=5,Ki=
11、2(3) PD 调节 Kp=8.5,Kd=2.5(4) PID 调节 Kp=7.5,Ki=5,Kd=3中 E吗QkHh HMiw- *Ail 2堇AQQ旦必耗(2) PI 调节 Kp=5,Ki=2六. 总结1、P控制规律控制及时但不能消除余差，I控制规律能消除余差但控制不及 时且一般不单独使用， D 控制规律控制很及时但存在余差且不能单独使用。2、比例系数越小，过渡过程越平缓，稳态误差越大；反之，过渡过程振荡 越激烈，稳态误差越小；若 Kp 过大，则可能导致发散振荡。Ti 越大，积分作用越弱，过渡过程越平缓，消除稳态误差越慢；反之，过渡 过程振荡越激烈，消除稳态误差越快。Td越大，微分作用越强，过渡过程趋于稳定，最大偏差越小；但 Td过大， 则会增加过渡过程的波动程度。3、P和PID控制器校正后系统响应速度基本相同（调节时间 ts近似相等）， 但是 P 控制器校正产生较大的稳态误差，而 PI 控制器却能消除余差，而且超调 量较小。 PID 控制器校正后系统响应速度最快，但超调量最大。