新型PID控制模擬仿真器的設計

李紅蓮，劉 沖，楊桂梅，孔祥杰，劉青松

（1. 河北大學 質量技術監督學院，保定 071002；2. 河北大學 研究生學院，保定 071002；3. 河北大學 科學技術處，保定 071002）

0 引言

比例積分微分（PID）控制的應用非常的普遍[1]。它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。雖然它的原理簡單，但是設計和調整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做一次實驗，工作量會很大，對于任何一種控制系統而言，提高控制效率是重要的目標，所以在對控制系統設置PID參數前，設計模擬仿真器，進行系統仿真，必將為儀器實際操作提供有益參考[2]。傳統的模擬仿真器僅是對系統進行模擬，應用范圍有限。本設計是基于Matlab軟件，將Simulink便于仿真和Gui界面視覺效果好、便于操作的優點結合起來[3,4]，用Simulink模擬系統，用Gui制作界面，用界面控制仿真系統變量。并且設有PID校正環節，可以對系統進行校正，校正前后輸出相應可以對比，進而提高系統的性能。對實際工程中模擬、校對有很好指導作用。

1 PID控制的模擬仿真器的設計

此模擬仿真器是基于Matlab平臺，針對于工程系統設計，對設計的系統進行模擬仿真。設計的系統有時不能達到理想的效果，可以對系統進行PID校正，校正前后的輸出相應可以進行對比，找出能夠達到理想效果的PID參數，進而提高系統性能。對于教學或工程中系統的設計具有很好的指導作用。

1.1 Simulink系統仿真設計

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

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。編輯結果如圖1所示。 關閉此窗口。在Subsystem模塊上點擊右鍵，選擇“Mask Subsystem” 點擊“Parameters”頁，對PID各參數對應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參數進行控制。

1.2 Gui界面的設計

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。繪制結果如圖2所示。

圖1 PID控制電路模塊

圖2 仿真器界面設計

對應所設計的Gui界面將生成相應的.M文件，可以在各控件下編寫相應的控制程序。在編寫程序前要確定各控制按鈕的tag屬性，方便程序調用。

設計基本思路：按鈕“輸入傳函參數”可以改變lunwen_s.mdl 中Transfer Fcn 函數中的分子向量和分母向量，確定傳遞函數，KP、 KI和KD所對應的文本框可以改變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束時間。點擊按鈕“開始仿真”即開始lunwen_s.mdl來仿真。未經過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進行對比。“下拉框”中包含time、bode、nyquist等，可以選擇仿真不同的圖形類型。

以人造衛星姿態控制系統為例，系統的傳遞函數為，點擊“輸入傳函參數”按鈕輸入各階次系數。暫時不設定KP，KI及KD對應的值，輸入仿真時間，點擊“開始仿真”按鈕，效果如圖3所示。

系統穩定時間不太理想，現在利用PID進行校正，設置PID參數，設置參數經驗方法：

比例系數P參數設置最初可先設置大些，避免出現超調和振蕩，運行后視響應情況再逐步調小，以加強比例作用的效果，提高系統響應的快速性，以既能快速響應，又不出現超調或振蕩為最佳。

圖3 對人造衛星控制器的仿真演示

微分時間參數D參數設置時可先把D參數設置為0，即去除微分作用，系統模擬后先調好P參數和I參數，P、I確定后,再逐步增加D參數，加微分作用，以改善系統響應的快速性，系統不出現振蕩為最佳（多數系統可不加微分作用）。

現在取KP=10；KI=60；KD=0；效果如下：

圖4 對人造衛星控制器的校正演示

可以看出系統快速性有明顯提高，穩定性顯著。但有穩態誤差，只要對系統輸出比例系數進行調節就可以達到更好的性能。

2 結論

利用Matlab軟件設計并制作了PID控制的多階傳遞函數模擬仿真器，此模擬仿真器可以對多階傳遞系統進行模擬，在傳統模擬仿真器基礎上有很大改進，不僅可以對多階傳遞系統進行模擬，

并且可以進行PID校正，對實際工程中的模擬、校正有很好的指導作用。

[1] 魏克新,王云亮.MATLAB語言與自動控制系統設計[M].機械工業出版社,2002:60-96.

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

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

[4] 丁鋒.基于MATLAB/SIMULINK的自動控制系統仿真實驗[J].天津冶金職業技術學院學報,2005,6:57-59.