Simulink-下實(shí)現(xiàn)PID-控制器控制效果的驗(yàn)證

1、1. 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)是建立Simulink模型：采用Ziegler- Nichols經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，從而確定比例放大系數(shù)Kp，積分時(shí)間常數(shù)Ti,微分時(shí)間常數(shù)Td。最后，通過(guò)在t=4000s時(shí)，外加一個(gè)幅值為15的擾動(dòng)信號(hào)來(lái)驗(yàn)證該控制系統(tǒng)的控制效果。2.MATLAB/SIMULINK軟件簡(jiǎn)介800字左右Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并

2、基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。 Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同局部具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個(gè)創(chuàng)立

3、過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。.構(gòu)架在Simulink根底之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問(wèn)MATLAB大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)立、建模環(huán)

4、境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。 其特點(diǎn)：豐富的可擴(kuò)充的預(yù)定義模塊庫(kù)交互式的圖形編輯器來(lái)組合和管理直觀的模塊圖以設(shè)計(jì)功能的層次性來(lái)分割模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理通過(guò)Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)立、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代碼提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫(xiě)代碼集成使用Embedded MATLAB 模塊在Simulink和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB算法使用定步長(zhǎng)或變步長(zhǎng)運(yùn)行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來(lái)決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯C代碼的形式來(lái)運(yùn)行模型圖形化的調(diào)試器和剖析

5、器來(lái)檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為可訪問(wèn)MATLAB從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)模型分析和診斷工具來(lái)保證模型的一致性，確定模型中的錯(cuò)誤3.模型建立及仿真寫(xiě)出詳細(xì)步驟，圖可打印后貼上1 SIMULINK的啟動(dòng)為建模做準(zhǔn)備： 1.運(yùn)行MATLAB 2.在Command Window窗口輸入"simulink"按"Enter"，啟動(dòng)simulink。3. 翻開(kāi)simulink建模窗口：FileNewModel.。2. 建立Simulink模型：1.模塊的操作：按上圖所需模塊，從“Simulink Library Br

6、owser窗口中選擇，然后直接拖到“untitled窗口即可。1.將下列圖所圈模塊直接拖到“untitled窗口：（2） .得到如下圖模塊集合：模塊的位置可以用方位鍵移動(dòng) （3） .對(duì)局部模塊進(jìn)行修改：雙擊所要修改的模塊即可對(duì)其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和點(diǎn)擊圖形下面的文字對(duì)其進(jìn)行修改如下列圖 雙擊 改為確定雙擊該參數(shù)，單擊文字改名字其中1/Ti：當(dāng)數(shù)字較長(zhǎng)時(shí)無(wú)法完全顯示，將顯示K-如：雙擊改為確定雙擊改為確定雙擊改為確定雙擊改為確定綜上得到：2. 模塊的連接：將鼠標(biāo)置于某模塊起點(diǎn)處，鼠標(biāo)變?yōu)槭中?，拖?dòng)鼠標(biāo)到終點(diǎn)，即可得到所有連線。連線完成如下列圖，需要有節(jié)點(diǎn)的地方，用鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊要節(jié)點(diǎn)處不放，拖動(dòng)鼠標(biāo)到

7、分支終點(diǎn)3 對(duì)模型進(jìn)行仿真：1.Ziegler- Nichols整定的第一步是獲取開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)，在Simulink中，把反應(yīng)連線、微分器的輸出連線、積分器的輸出連線都斷開(kāi)，“Kp的值置為1，連線得：(1).選定仿真時(shí)間5000：SimulationConfiguration ParametersStop time (2) 仿真運(yùn)行 點(diǎn)擊三角號(hào)(3) 運(yùn)行完畢后，雙擊“Scope得到結(jié)果：2. 根據(jù)Ziegler- Nichols經(jīng)驗(yàn)公式，可知P控制整定時(shí)，比例放大系數(shù)Kp=0.25，將“Kp的值置為0.25，并連上反應(yīng)連線，得：雙擊改為確定選定仿真時(shí)間，仿真運(yùn)行，運(yùn)行完畢后，雙擊“S

8、cope得到結(jié)果：上圖即為PI控制時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。根據(jù)Ziegler- Nichols經(jīng)驗(yàn)公式，可知PID控制整定時(shí)，比例放大系數(shù)Kp=0.3，積分時(shí)間常數(shù)Ti=396,微分時(shí)間常數(shù)Td=90,將“Kp的值置為0.3,“1/Ti的值為1/396，“Td的值置為90，將微分器的輸出連線連上，得：雙擊改為確定雙擊改為確定選定仿真時(shí)間，仿真運(yùn)行，運(yùn)行完畢后，雙擊“Scope得到結(jié)果：4.在干擾作用系統(tǒng)仿真寫(xiě)出詳細(xì)步驟，圖可打印后貼上由以上三圖同樣可以看出，P、PI控制二者的響應(yīng)速度根本相同，但系統(tǒng)穩(wěn)定的輸出值不同。PI控制超調(diào)量比P控制的要小一些。PID控制比前者的響應(yīng)速度都快，但超調(diào)量最大。

9、針對(duì)該P(yáng)ID 控制器，我們可以通過(guò)外加擾動(dòng)信號(hào)來(lái)測(cè)試其控制效果。如下列圖，我們?cè)趖=4000s時(shí)，外加一個(gè)幅值為15的擾動(dòng)信號(hào)利用signal generator：1雙擊得：2選擇AxesChange Time Range設(shè)置為確定后圖變?yōu)椋海?） 兩次拖動(dòng)左邊界分別設(shè)為4001和4000：改為確定后圖為：將該擾動(dòng)信號(hào)加到系統(tǒng)輸入端，如下列圖：選定仿真時(shí)間，仿真運(yùn)行，運(yùn)行完畢后，雙擊“Scope得到結(jié)果：5.結(jié)果與討論5.1課程設(shè)計(jì)結(jié)果分析當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，假設(shè)加一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)，PID控制器可以很快對(duì)被控對(duì)象的響應(yīng)進(jìn)行校正，使其盡快穩(wěn)定。由上圖可以看出，該P(yáng)ID 控制器效果良好。從系統(tǒng)接入PID 控制器前后的階躍響應(yīng)曲線中, 我們可以明顯地看到系統(tǒng)性能的改善。利用MATLAB/Simulink可以實(shí)現(xiàn)PID 控制器的離線設(shè)計(jì)和整定