哈工大-計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告-仿真實(shí)驗(yàn)四基于Simulink控制系統(tǒng)仿真與綜合設(shè)計(jì)

基于Simulink控制系統(tǒng)仿真與綜合設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)熟悉Simulink的工作環(huán)境及其功能模塊庫；(2)掌握Simulink的系統(tǒng)建模和仿真方法；(3)掌握Simulink仿真數(shù)據(jù)的輸出方法與數(shù)據(jù)處理；(4)掌握利用Simulink進(jìn)行控制系統(tǒng)的時域仿真分析與綜合設(shè)計(jì)方法；(5)掌握利用Simulink對控制系統(tǒng)的時域與頻域性能指標(biāo)分析方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容圖2.1為單位負(fù)反應(yīng)系統(tǒng)。分別求出當(dāng)輸入信號為階躍函數(shù)信號、斜坡函數(shù)信號和拋物線函數(shù)信號時，系統(tǒng)輸出響應(yīng)及誤差信號曲線。假設(shè)要求系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)滿足如下條件：a)動態(tài)過程響應(yīng)時間；b)動態(tài)過程響應(yīng)上升時間；c)系統(tǒng)最大超調(diào)量。按圖1.2所示系統(tǒng)設(shè)計(jì)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)。圖2.1單位反應(yīng)控制系統(tǒng)框圖圖2.2綜合設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框圖三、實(shí)驗(yàn)要求(1)采用Simulink系統(tǒng)建模與系統(tǒng)仿真方法，完成仿真實(shí)驗(yàn)；(2)利用Simulink中的Scope模塊觀察仿真結(jié)果，并從中分析系統(tǒng)時域性能指標(biāo)〔系統(tǒng)階躍響應(yīng)過渡過程時間，系統(tǒng)響應(yīng)上升時間，系統(tǒng)響應(yīng)振蕩次數(shù)，系統(tǒng)最大超調(diào)量和系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差〕；(3)利用Simulink中SignalConstraint模塊對圖2.2系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，以確定其參數(shù)；(4)對系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)前后的主要性能指標(biāo)進(jìn)行比照分析，并給出PID參數(shù)的改變對閉環(huán)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響。四、實(shí)驗(yàn)步驟與方法4.1時域仿真分析實(shí)驗(yàn)步驟與方法在Simulink仿真環(huán)境中，翻開simulink庫，找出相應(yīng)的單元部件模型，并拖至翻開的模型窗口中，構(gòu)造自己需要的仿真模型。根據(jù)圖2.1所示的單位反應(yīng)控制系統(tǒng)框圖建立其仿真模型，并對各個單元部件模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。所做出的仿真電路圖如下圖。圖當(dāng)仿真系統(tǒng)較大而復(fù)雜時，可以創(chuàng)立子系統(tǒng)，以增加仿真模型的可讀性。將圖控制系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行子系統(tǒng)封裝，在單位階躍函數(shù)控制信號的作用下，圖2.1所示的控制系統(tǒng)仿真模型如下圖。在simulink中，選擇仿真方法，并設(shè)置仿真參數(shù)〔積分步長，仿真誤差及仿真時間等〕。根據(jù)仿真輸出曲線，得出系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)參數(shù)。將圖中的單位階躍函數(shù)控制信號分別用斜坡函數(shù)信號和拋物線函數(shù)信號t2/2替換，并完成系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。圖子系統(tǒng)仿真圖4.2控制系統(tǒng)PID校正器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟與方法構(gòu)造的PID控制器仿真模型如圖所示。圖中，Kp為PID控制器的比例系數(shù)，Ki為PID控制器的積分系數(shù)，Kd為PID控制器的微分系數(shù)。圖PID控制器仿真模型將圖所示的PID控制器仿真模型進(jìn)行子系統(tǒng)封裝，而后按圖2.2建立其仿真模型，如下圖。按SignalConstraint使用規(guī)那么，完成對PID控制系統(tǒng)參數(shù)的整定與系統(tǒng)仿真分析。在單位階躍函數(shù)控制信號、斜坡函數(shù)控制信號和拋物線函數(shù)控制信號作用下，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。根據(jù)仿真輸出曲線，得出系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)參數(shù)。在此實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置的初始Kp=1,Kd=2,Ki=2。圖PID控制系統(tǒng)子系統(tǒng)封裝仿真模型五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.1未用PID整定時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果未用PID整定時，當(dāng)輸入分別為階躍信號、斜坡信號、以及實(shí)驗(yàn)中示波器顯示結(jié)果分別如下列圖所示，從圖中可知震蕩幅度均較大：圖輸入為階躍信號圖輸入為斜坡信號圖輸入為信號主要性能指標(biāo)參數(shù)如表5-1：表5-1單位負(fù)反應(yīng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)輸入信號形式系統(tǒng)性能指標(biāo)上升時間/s峰值時間/s超調(diào)量%調(diào)節(jié)時間/s振蕩次數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差階躍信號1.0s1.0s100%15s70斜坡信號xXx6.5s00.1拋物線信號xXx7.8s015.2使用PID整定之后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果參加PID整定模塊之后，當(dāng)輸入分別為階躍信號、斜坡信號、以及實(shí)驗(yàn)中示波器顯示結(jié)果分別如下列圖所示，從中可以看出幾乎無震蕩。其中PID整定參數(shù)為：Kp=2.2523；Kd=0.8935；Ki=2.1117圖5.2.1圖5.2.2輸入為階躍信號圖輸入為斜坡信號圖5.5.4輸入信號為主要性能指標(biāo)參數(shù)如表5-2：表5-2單位負(fù)反應(yīng)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)輸入信號形式系統(tǒng)性能指標(biāo)上升時間/s峰值時間/s超調(diào)量%調(diào)節(jié)時間/s振蕩次數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差階躍信號2.3s0.5s23%4.6s00斜坡信號xXx1.2s00.1拋物線信號xXx1.4s01六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論與問題分析6.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析通過將圖與、圖與、圖與相互比擬，可以清晰地看出參加PID之前的仿真結(jié)果振蕩幅度較大，誤差較大；但是參加PID之后圖像幾乎無振蕩，PID起到了很好的整定效果。6.2實(shí)驗(yàn)中遇到的問題1〕實(shí)驗(yàn)中元器件的位置在simulink中難以找到，可以利用查找功能，直接輸入模塊的名稱從而找到相應(yīng)模塊。2