基于SIMULINK的PID控制器设计与仿真VIP免费

基于SIMULINK的PID控制器设计与仿真1.引言MATLAB是一个适用于科学计算和工程用的数学软件系统，历经多年的发展，已是科学与工程领域应用最广的软件工具。该软件具有以下特点：数值计算功能强大；编程环简单；数据可视化功能强；丰富的程序工具箱；可扩展性能强等。Simulink是MATLAB下用于建立系统框图和仿真的环境。Simulink环境仿真的优点是：框图搭建方便、仿真参数可以随时修改、可实现完全可视化编程。比例-积分-微分（Proporitional-Integral-Derivative,PID）是在工业过程控制中最常见、应用最广泛的一种控制策略。PID控制是目前工程上应用最广的一种控制方法，其结构简单，且不依赖被控对象模型，控制所需的信息量也很少，因而易于工程实现，同时也可获得较好的控制效果。2.PID控制原理当我们不能将被控对象的结构和参数完全地掌握，或者是不能得到精确的数学模型时，在这种情况下最便捷的方法便是采用PID控制技术。为了使控制系统满足性能指标要求，PID控制器一般地是依据设定值与实际值的误差，利用比例（P）、积分（I）、微分（D）等基本控制规律，或者是三者进行适当地配合形成相关的复合控制规律，例如，PD、PI、PID等。图2-1是典型PID控制系统结构图。在PID调节器作用下，对误差信号分别进行比例、积分、微分组合控制。调节器的输出量作为被控对象的输入控制量。图2-1典型PID控制系统结构图PID控制器主要是依据给定值r（t）与实际输出值y（t）构成控制偏差，用公式表示即e（t）=r（t）-y（t），它本身属于一种线性控制器。通过线性组合偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D），将三者构成控制量，进而控制受控对象。控制规律如下：其传递函数为：式中：Kp--比例系数；Ti--积分时间常数；Td--微分时间常数。3.Simulink仿真3.1建立数学建模设被控对象等效传递函数为3.2仿真实验在传统的PID调节器中，参数的整定问题是控制面临的最主要的问题，控制系统的关键之处便是将Kp、Ti、Td三个参数的值最终确定下来。而在工业过程控制中首先需要对PID控制中三参量对系统动态性的影响进行实际深入地了解，才能确定怎样将三参数调节到最佳状态。在本实验中，对各参量单独变化对系统控制作用的影响进行讨论，其中在对一个参量变化引发的影响进行讨论时，需要将其余两个参数设定为常数。3.2.1P控制作用分析先分析比例控制作用。设Td=0、Ti=∞、Kp=3、6和9。输入信号阶跃函数，分别进行仿真，在simulink中建立的仿真模型如图3-1所示，系统的阶跃响应如图3-2所示。3-1P控制仿真模型01234567891000.20.40.60.811.21.4Time(sec)AmplitudeKp=9Kp=6Kp=33-2P控制阶跃响应曲线图3-2显示的仿真结果表明：系统的超调量会随着Kp值的增大而加大，系统响应速度也会会随Kp值的增大而加快。但是系统的稳定性能会随着Kp的增大而变差。3.2.2比例积分控制作用的分析设比例积分调节器中Kp=3,讨论Ti=3、2和1时。输人信号阶跃函数，分别进行仿真，在simulink中建立的仿真模型如图3-3所示，系统的阶跃响应如图3-4所示。3-3PI控制仿真模型01234567891000.511.5Time(sec)AmplitudeTi=1Ti=2Ti=33-4PI控制阶跃响应曲线图3-4显示的仿真结果表明：系统的超调量会随着Ti值的加大而减小，系统响应速度随着Ti值的加大会略微变慢。3.2.3比例积分微分控制作用的分析设Kp=3、Ti=3,讨论Td=0.1、0.2和0.3时对系统阶跃响应曲线的影响。输人信号阶跃函数，分别进行仿真，在simulink中建立的仿真模型如图3-5所示，系统的阶跃响应如图3-6所示。3-5PId控制仿真模型01234567891000.20.40.60.811.21.4Time(sec)AmplitudeTd=0.1Td=0.2Td=0.33-6PID控制阶跃响应曲线图3-6显示的仿真结果表明：Kp=3、Ti=3不变时，随着Td值的加大，闭环系统的超调量增减小，响应速度变慢。3.2.4使用编程方法仿真程序分别如下述程序所示,结果与上述类似，不再附图。P控制程序：Go=tf(2,conv([2,1],[0.5,1]));Kp=[3,6,9];form=1:3sys=feedback(Kp(m)*Go,1);step(sys);holdon;endPI控制程序：Go=tf(2,conv([2,1],[0.5,1]));Kp=3;Td=[1,2,3];form=1:G1=tf([Kp*Td(m),Kp],[0,1]);sys=feedback(G1*Go,1);step(sys);holdon;endPID控制程序：Go=tf(2,conv([2,1...