新型PID控制模擬仿真器的設(shè)計

李紅蓮，劉 沖，楊桂梅，孔祥杰，劉青松

（1. 河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，保定 071002；2. 河北大學(xué) 研究生學(xué)院，保定 071002；3. 河北大學(xué) 科學(xué)技術(shù)處，保定 071002）

0 引言

比例積分微分（PID）控制的應(yīng)用非常的普遍[1]。它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。雖然它的原理簡單，但是設(shè)計和調(diào)整PID控制器在實際操作中是非常麻煩和費時的。如果每改變一次參數(shù)做一次實驗，工作量會很大，對于任何一種控制系統(tǒng)而言，提高控制效率是重要的目標(biāo)，所以在對控制系統(tǒng)設(shè)置PID參數(shù)前，設(shè)計模擬仿真器，進行系統(tǒng)仿真，必將為儀器實際操作提供有益參考[2]。傳統(tǒng)的模擬仿真器僅是對系統(tǒng)進行模擬，應(yīng)用范圍有限。本設(shè)計是基于Matlab軟件，將Simulink便于仿真和Gui界面視覺效果好、便于操作的優(yōu)點結(jié)合起來[3,4]，用Simulink模擬系統(tǒng)，用Gui制作界面，用界面控制仿真系統(tǒng)變量。并且設(shè)有PID校正環(huán)節(jié)，可以對系統(tǒng)進行校正，校正前后輸出相應(yīng)可以對比，進而提高系統(tǒng)的性能。對實際工程中模擬、校對有很好指導(dǎo)作用。

1 PID控制的模擬仿真器的設(shè)計

此模擬仿真器是基于Matlab平臺，針對于工程系統(tǒng)設(shè)計，對設(shè)計的系統(tǒng)進行模擬仿真。設(shè)計的系統(tǒng)有時不能達到理想的效果，可以對系統(tǒng)進行PID校正，校正前后的輸出相應(yīng)可以進行對比，找出能夠達到理想效果的PID參數(shù)，進而提高系統(tǒng)性能。對于教學(xué)或工程中系統(tǒng)的設(shè)計具有很好的指導(dǎo)作用。

1.1 Simulink系統(tǒng)仿真設(shè)計

本次模擬仿真器的設(shè)計是基于Matlab，利用Simulink仿真系統(tǒng)建立模型，利用Gui設(shè)計界面。Simulink建立的模型包括兩個主要部分：多階傳遞函數(shù)部分和PID控制部分。在界面生成的.M文件內(nèi)利用函數(shù)命令可以改變傳遞函數(shù)和PID參數(shù)，通過界面控制實現(xiàn)。

在Matlab 命令窗口運行Simulink 命令，打開Simulink Library Browser，點擊工具欄新建按鈕（NEW ）來新建一個模塊。從Simulink 下的Ports&Subsystems 下面拖一個Subsystem 模塊到新建的模塊中。雙擊Subsytem 模塊，來進行編輯。編輯結(jié)果如圖1所示。 關(guān)閉此窗口。在Subsystem模塊上點擊右鍵，選擇“Mask Subsystem” 點擊“Parameters”頁，對PID各參數(shù)對應(yīng)的控件中的變量進行定義，這樣就可以用界面控制按鈕對PID參數(shù)進行控制。

1.2 Gui界面的設(shè)計

在Matlab界面點擊“file”，選取NEW中的Gui點擊后，再點確定，將生成一個figure窗體，可以從工具欄選擇合適按鈕在窗體中繪制。繪制結(jié)果如圖2所示。

圖1 PID控制電路模塊

圖2 仿真器界面設(shè)計

對應(yīng)所設(shè)計的Gui界面將生成相應(yīng)的.M文件，可以在各控件下編寫相應(yīng)的控制程序。在編寫程序前要確定各控制按鈕的tag屬性，方便程序調(diào)用。

設(shè)計基本思路：按鈕“輸入傳函參數(shù)”可以改變lunwen_s.mdl 中Transfer Fcn 函數(shù)中的分子向量和分母向量，確定傳遞函數(shù)，KP、 KI和KD所對應(yīng)的文本框可以改變lunwen_s.mdl中的PID Controller模塊中的KP、KI和KD的值。輸入時間下的文本框可以確定仿真結(jié)束時間。點擊按鈕“開始仿真”即開始lunwen_s.mdl來仿真。未經(jīng)過PID校正的在axes1中顯示，校正后的在axes2中顯示，對比按鈕可以使校正前后輸出響應(yīng)進行對比?！跋吕颉敝邪瑃ime、bode、nyquist等，可以選擇仿真不同的圖形類型。

以人造衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為，點擊“輸入傳函參數(shù)”按鈕輸入各階次系數(shù)。暫時不設(shè)定KP，KI及KD對應(yīng)的值，輸入仿真時間，點擊“開始仿真”按鈕，效果如圖3所示。

系統(tǒng)穩(wěn)定時間不太理想，現(xiàn)在利用PID進行校正，設(shè)置PID參數(shù)，設(shè)置參數(shù)經(jīng)驗方法：

比例系數(shù)P參數(shù)設(shè)置最初可先設(shè)置大些，避免出現(xiàn)超調(diào)和振蕩，運行后視響應(yīng)情況再逐步調(diào)小，以加強比例作用的效果，提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，以既能快速響應(yīng)，又不出現(xiàn)超調(diào)或振蕩為最佳。

圖3 對人造衛(wèi)星控制器的仿真演示

微分時間參數(shù)D參數(shù)設(shè)置時可先把D參數(shù)設(shè)置為0，即去除微分作用，系統(tǒng)模擬后先調(diào)好P參數(shù)和I參數(shù)，P、I確定后,再逐步增加D參數(shù)，加微分作用，以改善系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，系統(tǒng)不出現(xiàn)振蕩為最佳（多數(shù)系統(tǒng)可不加微分作用）。

現(xiàn)在取KP=10；KI=60；KD=0；效果如下：

圖4 對人造衛(wèi)星控制器的校正演示

可以看出系統(tǒng)快速性有明顯提高，穩(wěn)定性顯著。但有穩(wěn)態(tài)誤差，只要對系統(tǒng)輸出比例系數(shù)進行調(diào)節(jié)就可以達到更好的性能。

2 結(jié)論

利用Matlab軟件設(shè)計并制作了PID控制的多階傳遞函數(shù)模擬仿真器，此模擬仿真器可以對多階傳遞系統(tǒng)進行模擬，在傳統(tǒng)模擬仿真器基礎(chǔ)上有很大改進，不僅可以對多階傳遞系統(tǒng)進行模擬，

并且可以進行PID校正，對實際工程中的模擬、校正有很好的指導(dǎo)作用。

[1] 魏克新,王云亮.MATLAB語言與自動控制系統(tǒng)設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社,2002:60-96.

[2] 李勝,肖兵,李坤穎.基于TDLAS氣體測量系統(tǒng)的仿真與分析[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器,2007,17(2):52-55.

[3] 顧建雄,雷正紅.MATLAB/SIMULINK在自動控制原理教學(xué)中的應(yīng)用[J].河西學(xué)院學(xué)報,2006,22(5):32-33.

[4] 丁鋒.基于MATLAB/SIMULINK的自動控制系統(tǒng)仿真實驗[J].天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2005,6:57-59.