实验四 PID的控制作用实验目的1. 了解PID控制器中P，I，D三种基本控制作用对控制系统性能的影响。2. 进行PID控制器参数工程整定技能训练。实验系统说明PID控制受控对象图2-1.PID控制作用实验系统在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。PID控制规律写成传递函数的形式为 式中，为比例系数；为积分系数；为微分系数；为积分时间常数；为微分时间常数；简单来说，PID控制各校正环节的作用如下：（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。2、 实验使用仪器设备（名称、型号、技术参数等）计算机、MATLAB软件3、 实验内容(步骤） 1、在MATLAB命令窗口中输入“simulink”进入仿真界面。2、构建PID控制器：（1）新建Simulink模型窗口（选择“File/New/Model”）,在Simulink Library Browser中将需要的模块拖动到新建的窗口中，根据PID控制器的传递函数构建出如下模型：各模块如下： Math Operations模块库中的Gain模块，它是增益。拖到模型窗口中后，双击模块，在弹出的对话框中将Gain分别改为Kp、Ki、Kd，表示这三个增益系数。 Continuous模块库中的Integrator模块，它是积分模块；Derivative模块，它是微分模块。 Math Operations模块库中的Add模块，它是加法模块，默认是两个输入相加，双击该模块，将List of Signs框中的两个加号（+）后输入一个加号（+），这样就改为了三个加号，用来表示三个信号的叠加。 Ports & Subsystems模块库中的In1模块（输入端口模块）和Out1模块（输出端口模块）。（2）将上述结构图封装成PID控制器。 创建子系统。选中上述结构图后再选择模型窗口菜单“Edit/Creat Subsystem” 封装。选中上述子系统模块，再选择模型窗口菜单“Edit/Mask Subsystem” 根据需要，在封装编辑器对话框中进行一些封装设置，包括设置封装文本、对话框、图标等。本次试验主要需进行以下几项设置：Icon（图标）项：“Drawing commands”编辑框中输入“disp(PID)”，如下左图示：Parameters(参数)项：创建Kp,Ki,Kd三个参数，如下右图示：至此，PID控制器便构建完成，它可以像Simulink自带的那些模块一样，进行拖拉，或用于创建其它系统。3、搭建一单回路系统结构框图如下图所示：所需模块及设置：Sources模块库中Step模块；Sinks模块库中的Scope模块；Commonly Used Blocks模块库中的Mux模块；Continuous模块库中的Zero-Pole模块。Step模块和Zero-Pole模块设置如下：4、构建好一个系统模型后，就可以运行，观察仿真结果。运行一个仿真的完整过程分成三个步骤：设置仿真参数、启动仿真和仿真结果分析。选择菜单“Simulation/Confiuration Parameters”，可设置仿真时间与算法等参数，如下图示：其中默认算法是ode45（四/五阶龙格-库塔法），适用于大多数连续或离散系统。5、双击PID模块，在弹出的对话框中可设置PID控制器的参数Kp,Ki,Kd：设置好参数后，单击“Simulation/Start”运行仿真，双击Scope示波器观察输出结果，并进行仿真结果分析。比较以下参数的结果：（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4（2）Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.5（3）Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.76、以Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4这组数据为基础，改变其中一个参数，固定其余两个，以此来分别讨论Kp,Ki,Kd的作用。7、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线（1）P调节 Kp=8（2）PI调节 Kp=5,Ki=2（3）PD调节 Kp=8.5,Kd=2.5（4）PID调节 Kp=7.5,Ki=5,Kd=3程序及运行结果如下（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.42）Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.5（3）Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.76、以Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4这组数据为基础，改变其中一个参数，固定其余两个，以此来分别讨论Kp,Ki,Kd的作用。先改变kp的值，其余两个不变，分为两组，第一组是kp的值小于8.5，第二组是kp的值大于8.5.此处的值都是任意取得，kp1=7.2.kp2=9.4（1） Kp=7.2Ki=5.3,Kd=3.4 （2） Kp=9.4,Ki=5.3,Kd=3.4改变ki的值，其余两个不变，分为两组，第一组是ki的值小于5.3，第二组是ki的值大于5.3.此处的值都是任意取得，ki1=4.7.ki2=6.1（3） Kp=8.5,Ki=4.7,Kd=3.4（4） Kp=8.5,Ki=6.1,Kd=3.4改变kd的值，其余两个不变，分为两组，第一组是kd的值小于3.4，第二组是kd的值大于3.4.此处的值都是任意取得，kd1=2.6.kd2=4.7（5） Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=2.6（6） Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=4.77、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线（1） P调节 Kp=8（2）PI调节 Kp=5,Ki=2（3）PD调节 Kp=8.5,Kd=2.5（4）PID调节 Kp=7.5,Ki=5,Kd=3五结论 总结PID调节的基本特点pid调节即为比例，积分，微分调节。Kp为比例参数，主要是用于快速调节误差；Ki为积分参数，主要是用于调节稳态时间；Kd为微分参数，主要是用于预测误差趋势，提前修正误差。随着kp,ki,kd减小，系统反应速度变慢，超调量逐渐减小，系统调整时间也在变小。使kd变化其余两个值不变，可看出随着kd的增加，超调量变小，震荡次数变少，调整时间变短。使kp变化其余两个值不变，可看出随着kp的增加震荡次数增加，调整时间变长，超调量变大。使ki变化其余两个值不变，可看出随着ki 增加超调量变大，调整时间变长。P调节，波动很大， pi调节比p调节稳定，pd调节不准确。合时的取值可以使得PID调节快速，平稳，准确.13 / 13