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)(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
s 119.010+s 1
007.01+s +
-
)(t r )
(t y )
(t e PID
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Signal Constraint 模块对图4.2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。

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t ，抛物线函数信号2/2
t 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：
○
1无PID 控制器
○2有PID控制器
4.4.2斜坡函数信号t ○1无PID控制器
○2有PID控制器
4.4.3抛物线函数信号2/2t
○
1无PID 控制器
○2有PID控制器
4.5数据处理及性能指标分析
4.5.1 PID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PID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
4.6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。

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