新型PID控制模拟仿真器的设计

李红莲，刘 冲，杨桂梅，孔祥杰，刘青松

（1. 河北大学 质量技术监督学院，保定 071002；2. 河北大学 研究生学院，保定 071002；3. 河北大学 科学技术处，保定 071002）

0 引言

比例积分微分（PID）控制的应用非常的普遍[1]。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。虽然它的原理简单，但是设计和调整PID控制器在实际操作中是非常麻烦和费时的。如果每改变一次参数做一次实验，工作量会很大，对于任何一种控制系统而言，提高控制效率是重要的目标，所以在对控制系统设置PID参数前，设计模拟仿真器，进行系统仿真，必将为仪器实际操作提供有益参考[2]。传统的模拟仿真器仅是对系统进行模拟，应用范围有限。本设计是基于Matlab软件，将Simulink便于仿真和Gui界面视觉效果好、便于操作的优点结合起来[3,4]，用Simulink模拟系统，用Gui制作界面，用界面控制仿真系统变量。并且设有PID校正环节，可以对系统进行校正，校正前后输出相应可以对比，进而提高系统的性能。对实际工程中模拟、校对有很好指导作用。

1 PID控制的模拟仿真器的设计

此模拟仿真器是基于Matlab平台，针对于工程系统设计，对设计的系统进行模拟仿真。设计的系统有时不能达到理想的效果，可以对系统进行PID校正，校正前后的输出相应可以进行对比，找出能够达到理想效果的PID参数，进而提高系统性能。对于教学或工程中系统的设计具有很好的指导作用。

1.1 Simulink系统仿真设计

本次模拟仿真器的设计是基于Matlab，利用Simulink仿真系统建立模型，利用Gui设计界面。Simulink建立的模型包括两个主要部分：多阶传递函数部分和PID控制部分。在界面生成的.M文件内利用函数命令可以改变传递函数和PID参数，通过界面控制实现。

在Matlab 命令窗口运行Simulink 命令，打开Simulink Library Browser，点击工具栏新建按钮（NEW ）来新建一个模块。从Simulink 下的Ports&Subsystems 下面拖一个Subsystem 模块到新建的模块中。双击Subsytem 模块，来进行编辑。编辑结果如图1所示。 关闭此窗口。在Subsystem模块上点击右键，选择“Mask Subsystem” 点击“Parameters”页，对PID各参数对应的控件中的变量进行定义，这样就可以用界面控制按钮对PID参数进行控制。

1.2 Gui界面的设计

在Matlab界面点击“file”，选取NEW中的Gui点击后，再点确定，将生成一个figure窗体，可以从工具栏选择合适按钮在窗体中绘制。绘制结果如图2所示。

图1 PID控制电路模块

图2 仿真器界面设计

对应所设计的Gui界面将生成相应的.M文件，可以在各控件下编写相应的控制程序。在编写程序前要确定各控制按钮的tag属性，方便程序调用。

设计基本思路：按钮“输入传函参数”可以改变lunwen_s.mdl 中Transfer Fcn 函数中的分子向量和分母向量，确定传递函数，KP、 KI和KD所对应的文本框可以改变lunwen_s.mdl中的PID Controller模块中的KP、KI和KD的值。输入时间下的文本框可以确定仿真结束时间。点击按钮“开始仿真”即开始lunwen_s.mdl来仿真。未经过PID校正的在axes1中显示，校正后的在axes2中显示，对比按钮可以使校正前后输出响应进行对比。“下拉框”中包含time、bode、nyquist等，可以选择仿真不同的图形类型。

以人造卫星姿态控制系统为例，系统的传递函数为，点击“输入传函参数”按钮输入各阶次系数。暂时不设定KP，KI及KD对应的值，输入仿真时间，点击“开始仿真”按钮，效果如图3所示。

系统稳定时间不太理想，现在利用PID进行校正，设置PID参数，设置参数经验方法：

比例系数P参数设置最初可先设置大些，避免出现超调和振荡，运行后视响应情况再逐步调小，以加强比例作用的效果，提高系统响应的快速性，以既能快速响应，又不出现超调或振荡为最佳。

图3 对人造卫星控制器的仿真演示

微分时间参数D参数设置时可先把D参数设置为0，即去除微分作用，系统模拟后先调好P参数和I参数，P、I确定后,再逐步增加D参数，加微分作用，以改善系统响应的快速性，系统不出现振荡为最佳（多数系统可不加微分作用）。

现在取KP=10；KI=60；KD=0；效果如下：

图4 对人造卫星控制器的校正演示

可以看出系统快速性有明显提高，稳定性显著。但有稳态误差，只要对系统输出比例系数进行调节就可以达到更好的性能。

2 结论

利用Matlab软件设计并制作了PID控制的多阶传递函数模拟仿真器，此模拟仿真器可以对多阶传递系统进行模拟，在传统模拟仿真器基础上有很大改进，不仅可以对多阶传递系统进行模拟，

并且可以进行PID校正，对实际工程中的模拟、校正有很好的指导作用。

[1] 魏克新,王云亮.MATLAB语言与自动控制系统设计[M].机械工业出版社,2002:60-96.

[2] 李胜,肖兵,李坤颖.基于TDLAS气体测量系统的仿真与分析[J].现代科学仪器,2007,17(2):52-55.

[3] 顾建雄,雷正红.MATLAB/SIMULINK在自动控制原理教学中的应用[J].河西学院学报,2006,22(5):32-33.

[4] 丁锋.基于MATLAB/SIMULINK的自动控制系统仿真实验[J].天津冶金职业技术学院学报,2005,6:57-59.