哈工大-計算機仿真技術實驗報告-仿真實驗四基于Simulink控制系統(tǒng)仿真與綜合設計

基于Simulink控制系統(tǒng)仿真與綜合設計一、實驗目的(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進行控制系統(tǒng)的時域仿真分析與綜合設計方法；(5)掌握利用Simulink對控制系統(tǒng)的時域與頻域性能指標分析方法。二、實驗內(nèi)容圖2.1為單位負反應系統(tǒng)。分別求出當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)輸出響應及誤差信號曲線。假設要求系統(tǒng)動態(tài)性能指標滿足如下條件：a)動態(tài)過程響應時間；b)動態(tài)過程響應上升時間；c)系統(tǒng)最大超調(diào)量。按圖1.2所示系統(tǒng)設計PID調(diào)節(jié)器參數(shù)。圖2.1單位反應控制系統(tǒng)框圖圖2.2綜合設計控制系統(tǒng)框圖三、實驗要求(1)采用Simulink系統(tǒng)建模與系統(tǒng)仿真方法，完成仿真實驗；(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〔系統(tǒng)階躍響應過渡過程時間，系統(tǒng)響應上升時間，系統(tǒng)響應振蕩次數(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)進行綜合設計，以確定其參數(shù)；(4)對系統(tǒng)綜合設計前后的主要性能指標進行比照分析，并給出PID參數(shù)的改變對閉環(huán)系統(tǒng)性能指標的影響。四、實驗步驟與方法4.1時域仿真分析實驗步驟與方法在Simulink仿真環(huán)境中，翻開simulink庫，找出相應的單元部件模型，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)進行設定。所做出的仿真電路圖如下圖。圖當仿真系統(tǒng)較大而復雜時，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)仿真實驗。圖子系統(tǒng)仿真圖4.2控制系統(tǒng)PID校正器設計實驗步驟與方法構(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)進行仿真試驗。根據(jù)仿真輸出曲線，得出系統(tǒng)的主要性能指標參數(shù)。在此實驗中，設置的初始Kp=1,Kd=2,Ki=2。圖PID控制系統(tǒng)子系統(tǒng)封裝仿真模型五、實驗結(jié)果5.1未用PID整定時的實驗結(jié)果未用PID整定時，當輸入分別為階躍信號、斜坡信號、以及實驗中示波器顯示結(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參數(shù)如表5-1：表5-1單位負反應控制系統(tǒng)的性能指標輸入信號形式系統(tǒng)性能指標上升時間/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整定之后的實驗結(jié)果參加PID整定模塊之后，當輸入分別為階躍信號、斜坡信號、以及實驗中示波器顯示結(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參數(shù)如表5-2：表5-2單位負反應控制系統(tǒng)的性能指標輸入信號形式系統(tǒng)性能指標上升時間/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、實驗結(jié)論與問題分析6.1實驗結(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實驗中遇到的問題1〕實驗中元器件的位置在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模塊。2