Simulink仿真之PID控制
基于matlabsimulink的pid控制器设计 -回复
基于matlabsimulink的pid控制器设计-回复基于Matlab Simulink的PID控制器设计引言：在自动化控制工程中，PID控制器（Proportional-Integral-Derivative Controller）是一种常见且经典的控制算法。
它通过根据当前误差的大小调整控制器的输出，使得被控对象的反馈变量尽可能地接近期望值。
Matlab Simulink是一个广泛应用于工程和科学领域的仿真软件，它提供了一个直观且交互式的设计平台，可以用于设计、建模和仿真各种控制系统。
本文将详细介绍基于Matlab Simulink 的PID控制器设计的步骤。
第一步：建立模型首先，我们需要建立被控对象的数学模型。
设被控对象的输入信号为u，输出信号为y。
可以通过实验测量或根据系统的物理原理来获得被控对象的传递函数。
传递函数可以表示为：G(s) = Y(s)/U(s)其中，G(s)为被控对象的传递函数，s为复平面上的复数变量。
在Simulink中，可以使用Transfer Fcn或State-Space等模块来表示被控对象。
根据具体情况选择适当的模块，并设置传递函数的系数。
第二步：设计PID控制器在Simulink中，可以使用PID Controller模块来表示一个PID控制器。
PID控制器的输入为误差e和时间变量t，输出为控制信号u。
控制信号u根据以下公式计算：u(t) = Kp * e(t) + Ki * ∫e(t) dt + Kd * de(t)/dt其中，Kp、Ki、Kd分别为比例、积分和微分增益。
选择合适的增益参数是PID控制器设计的关键。
通常，可以通过试验、Ziegler-Nichols 方法或基于频域特性的方法来确定这些增益参数。
第三步：模拟系统响应为了分析和评估PID控制器的性能，我们可以通过仿真系统来模拟系统的响应。
在Simulink中，可以使用Scope或To Workspace等模块来显示被控对象和控制器的输入输出变量。
实验六-基于Simulink的位置式和增量式PID仿真
实验六基于Simulink的位置式和增量式PID仿真一、实验目的：1、用Matlab的仿真工具Simulink分别做出数字PID控制器的两种算法（位置式和增量式）进行仿真；2、被控对象为一阶惯性环节 D（s） = 1 / （5s+1）；3、采样周期 T = 1 s；4、仿真结果：确定PID相关参数，使得系统的输出能够很快的跟随给定值的变化，给出例证,输入输出波形，程序清单及必要的分析。
二、实验学时：4三、实验原理:(1）列出算法表达式：位置式PID控制算法表达式为:（2）列出算法传递函数:（3)建立simulink模型：（4)准备工作：双击step，将sample time设置为1以符合采样周期 T = 1 s 的要求；选定仿真时间为500。
第一步是先获取开环系统的单位阶跃响应，在Simulink中，把反馈连线、微分器、积分器的输出连线都断开，并将’Kp’的值置为1，调试之后获取响应值。
再连上反馈线，再分别接上微分器、积分器，仿真，调试仿真值.2、增量式PID：(1）列出算法表达式:增量式PID控制算法表达式为：（2）列出算法传递函数：(3）建立simulink模型：（4）准备工作：双击step，将sample time设置为1以符合采样周期 T = 1 s 的要求;选定仿真时间为500。
第一步是先获取开环系统的单位阶跃响应，在Simulink中，把反馈连线、微分器、积分器的输出连线都断开，并将’Kp’的值置为1，调试之后获取响应值。
再连上反馈线，再分别接上微分器、积分器，仿真，调试仿真值。
四、实验内容:1、位置式：（1)P控制整定仿真运行完毕，双击“scope”得到下图将Kp的值置为0。
5，并连上反馈连线。
仿真运行完毕,双击“scope”得到下图效果不理想，再将Kp的值置为0。
2，并连上反馈连线。
P控制时系统的单位阶跃响应图如下：（2）PI控制整定（比例放大系数仍为Kp=0.2)经多次输入Ki的值,发现Ki=1时，系统的输出最理想,选定仿真时间,仿真运行，运行元毕后. 双击" Scope " 得到以下结果(3）PID控制整定经多次输入调试，Kd的值置为0.5时，系统能最快地趋向稳定。
基于SIMULINK的PID控制器设计与仿真
基于SIMULINK的PID控制器设计与仿真基于SIMULINK的PID控制器设计与仿真1.引言MATLAB是一个适用于科学计算和工程用的数学软件系统，历经多年的发展，已是科学与工程领域应用最广的软件工具。
该软件具有以下特点：数值计算功能强大；编程环简单；数据可视化功能强；丰富的程序工具箱；可扩展性能强等。
Simulink是MATLAB下用于建立系统框图和仿真的环境。
Simulink环境仿真的优点是：框图搭建方便、仿真参数可以随时修改、可实现完全可视化编程。
比例-积分-微分（Proporitional-Integral-Derivative,PID）是在工业过程控制中最常见、应用最广泛的一种控制策略。
PID控制是目前工程上应用最广的一种控制方法，其结构简单，且不依赖被控对象模型，控制所需的信息量也很少，因而易于工程实现，同时也可获得较好的控制效果。
2.PID控制原理当我们不能将被控对象的结构和参数完全地掌握，或者是不能得到精确的数学模型时，在这种情况下最便捷的方法便是采用PID 控制技术。
为了使控制系统满足性能指标要求，PID 控制器一般地是依据设定值与实际值的误差，利用比例（P）、积分（I）、微分（D）等基本控制规律，或者是三者进行适当地配合形成相关的复合控制规律，例如，PD、PI、PID 等。
图2-1 是典型PID 控制系统结构图。
在PID 调节器作用下，对误差信号分别进行比例、积分、微分组合控制。
调节器的输出量作为被控对象的输入控制量。
图2-1典型PID 控制系统结构图PID 控制器主要是依据给定值r （t ）与实际输出值y （t ）构成控制偏差，用公式表示即e （t ）=r （t ）-y （t ），它本身属于一种线性控制器。
通过线性组合偏差的比例（P ）、积分（I ）、微分（D ），将三者构成控制量，进而控制受控对象。
控制规律如下：101()()[()()]p d i de t u t K e t e t dt T T dt =++⎰ 其传递函数为：()1()(1)()p d i U s G s K T S E s T s ==++ 式中：Kp--比例系数； Ti--积分时间常数； Td--微分时间常数。
Simulink仿真之PID控制
衰减曲线法整定举例
PID参数整定规律 PID参数整定规律
总结出几条基本的PID参数整定规律： （1）增大比例系数一般将加快系统的响应，在 有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的 比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振 荡，使稳定性变坏。 （2）增大积分时间有利于减小超调，减小振荡， 使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间 变长。 （3）增大微分时间有利于加快系统的响应速度， 使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰 动的抑制能力减弱。
第5章 PID控制 PID控制
5.1 PID控制概述 5.2 PID控制算法 5.3 PID控制器参数整定 5.4 本章小结 习题与思考
内容提要
本章描述PID控制的基本概念，介绍 PID控制算法以及PID参数整定等基 础知识，并通过大量的仿真实例讲 述PID参数整定。 通过本章，读者对PID控制的原理、 算法能有较为全面的认识，并熟练 通过仿真进行PID参数整定。
5.3 PID控制器参数整定 PID控制器参数整定
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类： （1）理论计算整定法 主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。 这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通 过工程实际进行调整和修改。 （2）工程整定方法 主要有Ziegler-Nichols整定法、临界比例度法、衰减曲线 法。这三种方法各有特点，其共同点都是通过试验，然后 按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪 一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行 最后调整与完善。 工程整定法的基本特点是：不需要事先知道过程的数学模 型，直接在过程控制系统中进行现场整定；方法简单，计 算简便，易于掌握。
5.3.2 临界比例度法
临界比例度法整定举例
simulink仿真pid案例
simulink仿真pid案例摘要：I.引言- 介绍Simulink软件和PID控制器II.PID控制器原理- PID控制器的基本原理和组成部分- PID控制器在工程中的应用III.Simulink仿真PID案例- 建立PID控制器模型- 设定参数并进行仿真- 分析仿真结果IV.结论- 总结Simulink仿真PID案例的重要性和应用价值正文：I.引言Simulink是一款由MathWorks公司开发的用于模拟和仿真的软件，它可以用于各种领域，如控制系统、信号处理、通信等。
PID控制器是控制系统中常用的一种控制器，它具有结构简单、可靠性高等特点，被广泛应用于工业控制中。
本文将通过一个具体的Simulink仿真PID案例，介绍如何使用Simulink进行PID控制器的仿真。
II.PID控制器原理PID控制器是一种比例-积分-微分（Proportional-Integral-Derivative）控制器，它通过计算控制误差的比例、积分和微分值，得到控制器的输出。
PID控制器由比例单元、积分单元和微分单元三部分组成，其中比例单元用于放大控制误差，积分单元用于消除系统的稳态误差，微分单元用于预测控制误差的变化趋势。
PID控制器在工程中有着广泛的应用，如温度控制、流量控制、位置控制等。
通过调整PID控制器的参数，可以实现对系统的稳定性和响应速度的调节。
III.Simulink仿真PID案例为了演示如何使用Simulink进行PID控制器的仿真，我们建立一个简单的PID控制器模型。
首先，打开Simulink软件，从工具栏中选择“新建模型”，创建一个新的模型。
接下来，从Simulink库中添加以下模块：一个输入模块（用于接收控制信号）、一个比例单元模块、一个积分单元模块和一个微分单元模块。
然后，将这四个模块按照PID控制器的结构连接起来，形成一个完整的PID控制器模型。
在建立好PID控制器模型后，我们需要设定一些参数，如比例系数、积分时间和微分时间等。
matlab simulink pid参数设定技巧
matlab simulink pid参数设定技巧
在Simulink中进行PID参数设定时，可以采用以下技巧：
1. 使用PID自动调节工具箱：Simulink提供了PID自动调节工具箱，可以根据系统的特性自动计算PID参数。
使用该工具
箱可以简化参数设定过程，提高调节效果。
2. 使用试控制法：试控制法是一种通过观察系统响应来调节PID参数的方法。
可以通过设置比例增益Kp，观察系统的响
应特性，根据实际需求调整Kp的大小。
3. 逐步调节参数：可以通过逐步调节参数的方式获取最佳结果。
首先调节比例增益Kp，观察系统响应；然后调节积分时间Ti，观察系统稳态误差；最后调节微分时间Td，观察系统对变化
的响应。
4. 增加反馈路径：在PID控制器中增加反馈路径，可以减小
系统误差。
可以使用仿真结果和实验数据来进行参数调整，并优化PID参数。
5. 使用频域分析：通过分析系统的频域特性，可以更好地调节PID参数。
可以使用Bode图来观察系统的稳定性和幅频响应
特性，调整PID参数以获得更好的控制效果。
6. 考虑系统时间常数：系统的时间常数是影响PID参数设定
的重要因素之一。
根据具体的系统响应特性，合理选择PID
参数的大小和调整范围。
7. 进行参数整定实验：通过设计合适的实验，观察系统响应，可以更准确地确定PID参数。
可以通过改变输入信号的大小、频率等，观察系统的稳态误差、超调量等指标，调整PID参
数以达到设计要求。
基于simulink的模糊PID控制例子
1模糊P1D用命令FUZZy翻开模糊控制工具箱。
AnfiSedit翻开自适应神经模糊控制器，它用给定的输入输出数据建个一个模糊推理系统，并用一个反向传播或者与最小二乘法结合的来完成隶属函数的调节。
SUrfVieW(newfis)可以翻开外表视图窗口8.1模糊PID串联型新建一个SimUIink模型同时拖入一个fuzzy1ogiccontro11er模块，双击输入已经保存的fis模糊控制器的名字。
由于这个控制模块只有一个输入端口，需要用到I I1UX模块。
模糊结合PID,当输出误差较大时，用模糊校正，当较小时，用PID校正。
8.2模糊自适应PID[1)PID参数模糊自整定的原那么PID调节器的控制规律为：u(k)=Kpe(k)+Ki∑e(i)+Kdec(k)其中：KP为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；e(k)、ec(k)分别为偏差和偏差变化率.模糊自整定P1D参数的目的是使参数Kp、Ki、Kd随着e和ec的变化而自行调整,故应首先建立它们间的关系.根据实际经验,参数KP、Ki、Kd在不同的e和ec下的自调整要满足如下调整原那么：(1)当e较大时,为加快系统的响应速度，防止因开始时e的瞬间变大可能会引起的微分溢出,应取较大的Kp和较小的Kd,同时由于积分作用太强会使系统超调加大，因而要对积分作用加以限制,通常取较小的Ki值；(2)当e中等大小时,为减小系统的超调量，保证一定的响应速度，Kp应适当减小；同时Kd 和Ki的取值大小要适中；(3)当e较小时,为了减小稳态误差，Kp与Ki应取得大些,为了防止输出响应在设定值附近振荡，同时考虑系统的抗干扰性能,Kd值的选择根据IeC1值较大时，Kd取较小值，通常Kd为中等大小。
同时按照需要,将输入语言变量E和EC分为7个模糊子集,分别用语言值正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(Z)、负小(NS)、负中(NM)、负大(NB)来表示,它们的隶属函数为高斯型(gaussmf),输出语言变量Kp/、Ki，、Ker用语言值小正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(Z)、负小(NS)、负中(NM)、负大(NB)来表示隶属函数为三角型(trimf),方法二：图-1模糊自适应Simu1ink模型根据各模糊子集的隶属度赋值表和各参数模糊控制模型，应用模糊合成推理设计分数阶PID参数的模糊矩阵表，算出参数代入下式计算：Kp=KpO+(E,EOpjKi=KiO+(E,EC)I;Kd=KdO+(E,EC)d式中：KpO.KiO.KdO为P1D参数的初始设计值，由传统的PID控制器的参数整定方法设计。
Simulink中系统PID控制调节解析
PID控制实现
PID控制实现：
简单仿真系统
PID控制实现：
1）离散时间域 2）考虑硬件条件 3）控制算法生成代码
1.打开PID Controller，点击Discretetime切换到离散域，Sample time根据 实际硬件的采样时间更改
2.同样采用Tune..调节离散域下新的最 优PID参数，系统从原来不稳定变成稳 定
Simulink中系统 PID控制调节
天津科技大学：机械工程肖志鹏
主要内容
• • • •
查看系统响应 动态调节系统响应 PID控制参数调优 PID控制实现
查看系统响应
查看Simulink仿真系统响 应：
简单仿真系统
查看Simulink仿真系统响应：
1.在模型分析的节点选择线性 分析点
2.从菜单栏->Analysis->Control Design->Linear Analysis...打开线性分 析窗口
动态调节Simulink系统响 应：
12.完成后关闭窗口，会提示是否保存测 试数据。注意：调节模型中的PID系数是 11.在窗口树状图选择SISO Design Task， 一个变量，如何直接关闭模型数据就不会 保存下来，一定要保存得到的数据 在Compensator Editor页，点击Update Simulink Block Parameters更新参数
谢谢观赏
水平有限如有错误欢迎指正
参考资料：
/products/simulink
积分饱和简介
所谓积分饱和现象是指若系统存在一个方向的偏差， PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大， 从而导致u(k)达到极限位置。此后若控制器输出继续 增大，u(k)也不会再增大，即系统输出超出正常运行 范围而进入了饱和区。一旦出现反向偏差，u(k)逐渐 从饱和区退出。进入饱和区愈深则退饱和时间愈长。 此段时间内，执行机构仍停留在极限位置而不能随着 偏差反向立即做出相应的改变，这时系统就像失去控 制一样，造成控制性能恶化。这种现象称为积分饱和 现象或积分失控现象。
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5.3 PID控制器参数整定 PID控制器参数整定
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类： （1）理论计算整定法 主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。 这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通 过工程实际进行调整和修改。 （2）工程整定方法 主要有Ziegler-Nichols整定法、临界比例度法、衰减曲线 法。这三种方法各有特点，其共同点都是通过试验，然后 按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪 一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行 最后调整与完善。 工程整定法的基本特点是：不需要事先知道过程的数学模 型，直接在过程控制系统中进行现场整定；方法简单，计 算简便，易于掌握。
t 0
PID控制器具有以下优点： （1）原理简单，使用方便。 （2）适应性强。 （3）鲁棒性强，即其控制 品质对被控制对象特性的变 化不太敏感。
5.2 PID控制算法 PID控制算法
5.2.1 比例（P）控制
纯比例控制的作用和比例调节对系统性能的影响
5.2.2 比例积分（PI）控制 比例积分（PI）控制
第5章 PID控制 PID控制
5.1 PID控制概述 5.2 PID控制算法 5.3 PID控制器参数整定 5.4 本章小结 习题与思考
内容提要
本章描述PID控制的基本概念，介绍 PID控制算法以及PID参数整定等基 础知识，并通过大量的仿真实例讲 述PID参数整定。 通过本章，读者对PID控制的原理、 算法能有较为全面的认识，并熟练 通过仿真进行PID参数整定。
PI控制举例 PI控制举例
ห้องสมุดไป่ตู้
5.2.3 比例微分（PD）控制 比例微分（PD）控制
PD控制作用举例
5.2.4 比例积分微分（PID）控制 比例积分微分（PID）控制
PID控制的主要特点为： （1）当阶跃输入作用时，P作用是始终起作用的基本分量； I作用一开始不显著，随着时间逐渐增强；D作用与I作用 相反，在前期作用强些，随着时间逐渐减弱。 （2）PI控制器与被控对象串联连接时，可以使系统的型 2 PI 别提高一级，而且还提供了两个负实部的零点。 （3）与PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高系统 稳态性能的优点外，还多提供了一个负实部零点，因此在 提高系统动态性能方面具有更大的优越性。 （4）PID控制通过积分作用消除误差，而微分控制可缩小 超越量，加快反应，是综合了PI控制与PD控制长处并去除 其短处的控制。 （5）从频域角度来看，PID控制是通过积分作用于系统的 低频段，以提高系统的稳态性能，而微分作用于系统的中 频段，以改善系统的动态性能。
5.4 本章小结
PID控制是最经典、应用最广的控制方法，是 单回路控制系统的主要控制方法，可以说PID 控制是其他控制思想的基础。 深入理解PID控制规律，熟练掌握PID控制器 参数的整定，是每个学习控制的人所必备的 基础。
衰减曲线法整定举例
PID参数整定规律 PID参数整定规律
总结出几条基本的PID参数整定规律： （1）增大比例系数一般将加快系统的响应，在 有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的 比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振 荡，使稳定性变坏。 （2）增大积分时间有利于减小超调，减小振荡， 使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间 变长。 （3）增大微分时间有利于加快系统的响应速度， 使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰 动的抑制能力减弱。
5.1 PID控制概述 PID控制概述
在线性连续系统中，控制规律 通常由以下三种情况组成： （1）比例控制：控制作用u与 偏差e成比例关系； （2）积分控制：控制作用u为 偏差e对时间的积分（ e dt）成 ∫ 比例关系； （3）微分控制：控制作用u为 de 偏差e对时间的导数（dt ）成比 例关系； 因此，控制作用u常用的表示 形式为： 式中的Kc是控制器的比例增益， Ti和Td都具有时间量纲，分别 称为积分时间和微分时间。
5.3.1 Ziegler-Nichols整定法 Ziegler-Nichols整定法
Ziegler-Nichols法根据给定对象的瞬态响应特性来确定PID控制器的 参数。Ziegler-Nichols法首先通过实验，获取控制对象单位阶跃响 应：
Ziegler-Nichols整定举例 Ziegler-Nichols整定举例
5.3.2 临界比例度法
临界比例度法整定举例
5.3.3 衰减曲线法
按“先P后I最后D”的操作 程序，将求得的整定参数设 置在调节器上，再观察运行 曲线，若不太理想，还可作 适当调整。 衰减曲线法的注意事项： （1）对于反应较快的控制 系统，要认定41衰减曲线和 读出Ts比较困难，此时，可 认为记录指针来回摆动两次 就达到稳定是41衰减过程。 （2）在生产过程中，负荷 变化会影响过程特性。当负 荷变化较大时，必须重新整 定调节器参数值。 （3）若认为41衰减太慢， 可采用101衰减过程。对于 101衰减曲线法整定调节器 参数的步骤与上述完全相同， 仅仅所用计算公式有些不同。
PI控制的主要特点为： （1）PI控制器在与被控对象串联连接时，相当于在 系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增 加了一个位于s左半平面的开环零点。 （2）位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除 或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能。 （3）增加的负实部零点则可减小系统的阻尼程度， 缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态过程产生的 不利影响。 （4）在实际工程中，PI控制器通常用来改善系统的 稳态性能。