计算机仿真实验四 基于simulink控制系统仿真与综合设计

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1、实验四基于Simulink控制系统仿真与综合设计4.1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。4.2实验内容与要求4.2.1实验内容图4.1为单位负反馈系统。分别求出当输入信号为阶跃函数信号、斜坡函数信号和抛物线函数信号时，系统输出响应及误差信号曲线。若要求系统动态性能指标满足如

2、下条件：a)动态过程响应时间；b)动态过程响应上升时间；c)系统最大超调量。按图4.2所示系统设计PID调节器参数。图4.1单位反馈控制系统框图图4.2综合设计控制系统框图4.2.2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SignalConstraint模块对图4.2系统的PID参数进行综合设计，以确

3、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。4.3确定仿真模型在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。如图所示：图4.4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4.4控制系统仿真模型进行子系统封装，分别在单位阶跃函数控制信号，斜坡函数信号，抛物线函数信号的作用下，构造控制系统仿真模型，输出仿真曲线，得出系统的主要性能指标参数。对比系统在有无PID控制器时的

4、输出曲线及性能指标，PID控制器的构造如下，将其封装后置于各个仿真模型中，与无PID控制器时对比输出曲线的差异。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。4.4仿真模型及输出曲线4.4.1单位阶跃函数信号：无PID控制器有PID控制器4.4.2斜坡函数信号无PID控制器有PID控制器4.4.3抛物线函数信号无PID控制器有PID控制器4.5数据处理及性能指标分析4.5.1PID控制器参数的选取对于PID控制器，Kp为PID控制器的比例系数，Ki为PID控制器的积分系数，Kd为P

5、ID控制器的微分系数。在实验中，选取Kp=1,Ki=1,Kd=1,且三个参数的变化范围均为-10~10，由此得出对应的仿真曲线。4.5.2有无PID控制系统时的性能指标分析表4-2单位负反馈控制系统的性能指标输入信号形式系统性能指标上升时间/s峰值时间/s超调量%调节时间/s振荡次数稳态误差阶跃信号131.5501350斜坡信号XXX620.1抛物线信号XXX531表4-3PID控制系统的性能指标输入信号形式系统性能指标上升时间/s峰值时间/s超调量%调节时间/s振荡次数稳态误差阶跃信号5.31.525%510斜坡信号XXX1.3

6、10.1抛物线信号XXX1.3114.6实验结果分析由以上实验输出曲线可以看出，在加入PID控制器后，所得曲线振荡消失，图线非常整齐，因此，PID控制器起到了很好的整合作用。在本次过程中，主要掌握了利用simulink进行模型仿真的手段，并且通过实践解决了实验中遇到的各种问题，掌握了simulinkde基本使用方法。通过三组对比实验，可以清楚的看出PID控制器的作用。在今后的实验和学习中会加以注意。