Simulink-下實現(xiàn)PID-控制器控制效果的驗證

1、1. 設(shè)計任務(wù)設(shè)被控對象的傳遞函數(shù)是建立Simulink模型：采用Ziegler- Nichols經(jīng)驗公式對PID參數(shù)進(jìn)行整定，從而確定比例放大系數(shù)Kp，積分時間常數(shù)Ti,微分時間常數(shù)Td。最后，通過在t=4000s時，外加一個幅值為15的擾動信號來驗證該控制系統(tǒng)的控制效果。2.MATLAB/SIMULINK軟件簡介800字左右Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(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，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(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)、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并

2、基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時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)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，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)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進(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)立動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)立

3、過程只需單擊和拖動鼠標(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)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。.構(gòu)架在Simulink根底之上的其他產(chǎn)品擴展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(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、境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。 其特點：豐富的可擴充的預(yù)定義模塊庫交互式的圖形編輯器來組合和管理直觀的模塊圖以設(shè)計功能的層次性來分割模型，實現(xiàn)對復(fù)雜設(shè)計的管理通過Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)立、配置、搜索模型中的任意信號、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算法使用定步長或變步長運行仿真，根據(jù)仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)來決定以解釋性的方式運行或以編譯C代碼的形式來運行模型圖形化的調(diào)試器和剖析

5、器來檢查仿真結(jié)果，診斷設(shè)計的性能和異常行為可訪問MATLAB從而對結(jié)果進(jìn)行分析與可視化，定制建模環(huán)境，定義信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)模型分析和診斷工具來保證模型的一致性，確定模型中的錯誤3.模型建立及仿真寫出詳細(xì)步驟，圖可打印后貼上1 SIMULINK的啟動為建模做準(zhǔn)備： 1.運行MATLAB 2.在Command Window窗口輸入"simulink"按"Enter"，啟動simulink。3. 翻開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 （3） .對局部模塊進(jìn)行修改：雙擊所要修改的模塊即可對其參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和點擊圖形下面的文字對其進(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)字較長時無法完全顯示，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)置于某模塊起點處，鼠標(biāo)變?yōu)槭中?，拖動鼠?biāo)到終點，即可得到所有連線。連線完成如下列圖，需要有節(jié)點的地方，用鼠標(biāo)右鍵點擊要節(jié)點處不放，拖動鼠標(biāo)到

7、分支終點3 對模型進(jìn)行仿真：1.Ziegler- Nichols整定的第一步是獲取開環(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，“Kp的值置為1，連線得：(1).選定仿真時間5000：SimulationConfiguration ParametersStop time (2) 仿真運行 點擊三角號(3) 運行完畢后，雙擊“Scope得到結(jié)果：2. 根據(jù)Ziegler- Nichols經(jīng)驗公式，可知P控制整定時，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間，仿真運行，運行完畢后，雙擊“S

8、cope得到結(jié)果：上圖即為PI控制時系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)。根據(jù)Ziegler- Nichols經(jīng)驗公式，可知PID控制整定時，比例放大系數(shù)Kp=0.3，積分時間常數(shù)Ti=396,微分時間常數(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間，仿真運行，運行完畢后，雙擊“Scope得到結(jié)果：4.在干擾作用系統(tǒng)仿真寫出詳細(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、針對該PID 控制器，我們可以通過外加擾動信號來測試其控制效果。如下列圖，我們在t=4000s時，外加一個幅值為15的擾動信號利用signal generator：1雙擊得：2選擇AxesChange Time Range設(shè)置為確定后圖變?yōu)椋海?） 兩次拖動左邊界分別設(shè)為4001和4000：改為確定后圖為：將該擾動信號加到系統(tǒng)輸入端，如下列圖：選定仿真時間，仿真運行，運行完畢后，雙擊“Scope得到結(jié)果：5.結(jié)果與討論5.1課程設(shè)計結(jié)果分析當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，假設(shè)加一個擾動信號，PID控制器可以很快對被控對象的響應(yīng)進(jìn)行校正，使其盡快穩(wěn)定。由上圖可以看出，該PID 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可以實現(xiàn)PID 控制器的離線設(shè)計和整定