哈工大 计算机仿真技术实验报告 仿真实验四基于Simulink控制系统仿真与综合设计
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基于Simulink 控制系统仿真与综合设计
一、实验目的
(1) 熟悉Simulink 的工作环境及其功能模块库; (2) 掌握Simulink 的系统建模和仿真方法;
(3) 掌握Simulink 仿真数据的输出方法与数据处理;
(4) 掌握利用Simulink 进行控制系统的时域仿真分析与综合设计方法; (5) 掌握利用 Simulink 对控制系统的时域与频域性能指标分析方法。
二、实验内容
图2.1为单位负反馈系统。分别求出当输入信号为阶跃函数信号)(1)(t t r =、斜坡函数信号t t r =)(和抛物线函数信号2/)(2t t r =时,系统输出响应)(t y 及误差信号)(t e 曲线。若要求系统动态性能指标满足如下条件:a) 动态过程响应时间s t s 5.2≤;b) 动态过程响应上升时间s t p 1≤;c) 系统最大超调量%10≤p σ。按图1.2所示系统设计PID 调节器参数。
图2.1 单位反馈控制系统框图
图2.2 综合设计控制系统框图
三、实验要求
(1) 采用Simulink系统建模与系统仿真方法,完成仿真实验;
(2) 利用Simulink中的Scope模块观察仿真结果,并从中分析系统时域性能指标(系统阶跃响应过渡过程时间,系统响应上升时间,系统响应振荡次数,系统最大超调量和系统稳态误差);
(3) 利用Simulink中Signal Constraint模块对图2.2系统的PID参数进行综合设计,以确定其参数;
(4) 对系统综合设计前后的主要性能指标进行对比分析,并给出PID参数的改变对闭环系统性能指标的影响。
四、实验步骤与方法
4.1时域仿真分析实验步骤与方法
在Simulink仿真环境中,打开simulink库,找出相应的单元部件模型,并拖至打开的模型窗口中,构造自己需要的仿真模型。根据图2.1 所示的单位反馈控制系统框图建立其仿真模型,并对各个单元部件模型的参数进行设定。所做出的仿真电路图如图4.1.1所示。
图4.1.1
当仿真系统较大而复杂时,可以创建子系统,以增加仿真模型的可读性。将图4.1.1控制系统仿真模型进行子系统封装,在单位阶跃函数控制信号的作用下,图2.1所示的控制系统仿真模型如图4.1.2所示。在simulink中,选择仿真方法,并设置仿真参数(积分步长,仿真误差及仿真时间等)。根据仿真输出曲线,得出系统的主要性能指标参数。将图4.1.2中的单位阶跃函数控制信号分别用斜坡函数信号t和抛物线函数信号t2/2替换,并完成系统仿真实验。
图4.1.2 子系统仿真图
4.2 控制系统PID校正器设计实验步骤与方法
构造的PID控制器仿真模型如图4.2.1 所示。图中,Kp为PID控制器的比例系数,Ki为PID控制器的积分系数,Kd为PID控制器的微分系数。
图4.2.1 PID 控制器仿真模型
将图4.1.2所示的PID 控制器仿真模型进行子系统封装,而后按图2.2建立其仿真模型,如图4.2.2所示。按Signal Constraint 使用规则,完成对PID 控制系统参数的整定与系统仿真分析。在单位阶跃函数控制信号、斜坡函数控制信号t
和抛物线函数控制信号2/2
t 作用下,对系统进行仿真试验。根据仿真输出曲线,
得出系统的主要性能指标参数。在此实验中,设置的初始Kp=1, Kd=2, Ki=2。
图4.2.2 PID 控制系统子系统封装仿真模型
五、实验结果
5.1未用PID 整定时的实验结果
未用PID 整定时,当输入分别为阶跃信号、斜坡信号、以及2
/)(2t t r 实验中示波器显示结果分别如下图5.1.1、5.1.2、5.1.3所示,从图中可知震荡幅度均较大:
图5.1.1 输入为阶跃信号
图5.1.2 输入为斜坡信号
t r 信号
)
(2t
主要性能指标参数如表5-1:
5.2 使用PID整定之后的实验结果
加入PID整定模块之后,当输入分别为阶跃信号、斜坡信号、以及t
r=实验中示波器显示结果分别如下图5.2.1、5.2.2、5.2.3、5.2.4所示,)(2t
2/
从中可以看出几乎无震荡。其中PID整定参数为:
Kp =2.2523;
Kd =0.8935;
Ki =2.1117
图5.2.1
图5.2.2输入为阶跃信号
图5.2.3输入为斜坡信号
t r
)
(2t
主要性能指标参数如表5-2:
六、实验结论与问题分析
6.1 实验结果分析
通过将图5.1.1与5.2.2、图5.1.2与5.2.3、图5.1.3与5.2.4相互比较,可以清晰地看出加入PID之前的仿真结果振荡幅度较大,误差较大;但是加入PID 之后图像几乎无振荡,PID起到了很好的整定效果。
6.2 实验中遇到的问题
1)实验中元器件的位置在simulink中难以找到,可以利用查找功能,直接输入模块的名称从而找到相应模块。
2)实验中对应输入输出名称要一致,否则不能运行出正确结果。
3)实验中要给Kp、Ki、Kd在matlab程序框中赋初值,否则无法进行仿真。
4)实验中应合理设置仿真参数,以保证输出图形的美观,可读性要强。