内蒙古科技大学
控制系统仿真设计说明书
题目：基于Ziegler-Nichols方法
的PID控制参数整定
学生姓名：
学号：
专业：自动化
班级：自2012-3班
指导教师：李仲德
基于Ziegler-Nichols方法的PID控制参数整定
摘要；
当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来纠正和调节控制系统的响应。反馈理论及其在自动控制中应用的关键是：做出正确测量与比较后，如何用于系统的纠正与调节。
在过去的十几年里，PID控制，也就是比例积分微分控制在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，在工业过程控制中95%以上的控制回路都具有PID结构，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。
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关键词：PID控制；Ziegler-Nichols；参数整定；matlab；simulink
第一章控制系统仿真概述
1.11.1 控制系统计算机仿真
控制系统的计算机仿真是一门涉及控制理论、计算数学与计算机技术的综合性学科，它的产生及发展差不多是与计算机的发明和发展同步进行的。控制系统的计算机仿真就是以控制系统的模型为基础，采用教学模型代替实际的控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行试验和研究的一种方法。控制系统计算机仿真的过程包含如下步骤：
（1）建立控制系统的数学模型
系统的数学模型是指描述系统的输入、输出变量以及内部变量之间关系的数学表达式。系统数学模型的建立可采用解析法和试验法，常见的数学模型有微分方程、传递函数、结构图、状态空间表达式。
（2）建立控制系统的仿真模型
根据控制系统的数学模型转换成能够对系统进行仿真的模型。
（3）编制控制系统的仿真软件
采用各种各样的计算机语言(Basic、FORTRAN、C语言等)编制控制系统的仿真程序，或直接利用一些仿真语言。
（4）进行系统仿真试验并输出仿真结果
通过对仿真模型对实验参数的修改，进行系统仿真实验，输出仿真结果。如果应用MATLB的Simulink集成环境作为仿真工具，则构成了MATLAB仿真。
第二章 PID控制原理
当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来纠正和调节控制系统的响应。反馈理论及其在自动控制中应用的关键是：做出正确测量与比较后，如何用于系统的纠正与调节。
在过去的十几年里，PID控制，也就是比例积分微分控制在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展的今天，在工业过程控制中95%以上的控制回路
都具有PID结构，而且许多高级控制都是以PID控制为基础的。
2.1 PID控制的特点
事实表明，对于PID这样简单的控制器，能够适用于广泛的工业与民用对象，并仍以很高的性价比在市场中占据着重要地位，充分地反映了PID控制器的良好品质。概括地讲，PID控制的优点主要体现在以下两个方面：
(1)原理简单、结构简明、实现方便，是一种能够满足大多实际需要的基本控制器。
(2)控制器适用于多种不同的对象，算法在结构上具有较强鲁棒性。确切地说，在很多情况下其控制品质对被控对象的结构或参数振动不敏感。
但从另一方面来讲，控制算法的普适性也反映了PID控制器在控制品质上的局限性。具体分析，其局限性主要来自以下几个方面：
(1)算法结构的简单性决定了PID控制比较适用于SISO最小相位系统，在处理大时滞、开环不稳定过程等难控对象时，需要通过多个PID控制器或与其他控制器的组合，才能得到较好的控制效果。
(2)算法结构的简单性同时决定了PID控制只能确定闭环系统的少数主要极点；闭环特性从根本上只是基于动态特性的低阶近似假定的。
(3)出于同样的原因，决定了单一PID控制器无法同时满足对假定设定值控制和伺服跟踪控制的不同性能要求。
2.2 PID参数整定方法
（1）Ziegler-Nichols经验公式(Z-N公式法)。该方法先求取系统的开环阶跃响应曲线，根据对象的纯迟延时间、时间常数和放大系数，按Ziegler-Nichols经验公式计算PID参数。这是我们这次课程设计所采用的方法。
（2）稳定边界法(临界比例度法)。该方法需要做稳定边界实验，在闭环系统中控制器只用比例作用，给定值作阶跃扰动，从较大的比例带开始，逐渐减小，直至被控对象现临界振荡为止，记下临界振荡周期和临界比例带。
（3）衰减曲线法。该方法与临界比例度法类似，在闭环系统中控制器只用比例作用，给定值作阶跃扰动，从较大的比例带开始，逐渐减小，直至被控量出现4:1的衰减过程为止，记下此时比例带以及相邻波峰之间的时间。然后按照经验公式确定PID参数。
第三章 控制器设计以及仿真曲线图
1.已知系统控制对象传递函数为)
200s 30(400)(2++=S S S G 对此连续系统应用ziegler-nichols 方法进行PID 参数整定，图为我设计的控制器的模型图
（1）其中step 作用为计算一个动态系统的阶跃响应。
（2）Scope 是系统的示波模块，显示波形。
（3）Simulink 控制程序中的PID 是用Z-N 法计算出来的，使用rlocus 和rloclind 指令可以求得穿越增益和穿越频率，采用Z-N 整定方式发可以求得PID 参数，运行整定程序可以得出三个图像，图一为系统未整定的根轨迹图，在该图上可以选定穿越jw 轴时的增益km 和该点的w 值，图二示出系统整定前后的伯德图，可见该系统整定后，频带拓宽，相移超前，图三示出整定后系统根轨迹，所有极点位于负半面达到完全稳定状态，采用z-n 方法可以得出KP=8.8371，KD=0.4945，KI=39.4847.将PID 输入控制程序中即可得到阶跃响应曲线。图见下。接下来双击scope 显示波形如下图所示为系统的阶跃响应曲线，整定程序见附录。
在采用ziegler-nichols的方法进行PID整定可以快速精确的算出各参数的数值，然后在进行微调既可以的到理想的控制效果。
图一.系统未整定时根轨迹图
图二.整点前后系统伯德图
图三.整定后系统根轨迹
2.已知系统的对象传递函数为s
s s G 2101)(2+=，采样时间为0.25s ，采用零阶保持器对其离散化并应用ziegler-nichols 方法进行PID 参数整定。
对于这道题目的控制器的设计需要加一个零阶保持器，所以此题的控制器如下
（1）其中step 作用为计算一个动态系统的阶跃响应。
（2）zero-order hold 为零阶保持器
（3）scope 为系统的示波模块，显示波形双击scope 显示波形如下为系统的阶跃响应曲线
（4）这道题需要采用零阶保持器将对象离散化，使用rlocus 指令和rlocfind 指令的出系统的根轨迹图，可求得震荡增益和震荡频率然后根据Z-N 公式求出PID 参数，运
行整定程序，得出图四为系统未补偿时的系统根轨迹图，然后在该图选定位于Z平面单位圆上的闭环极点，则可求得该点对应的增益和震荡频率，图五为系统整定后的根轨迹求得PID参数分别为KP=637562，KD=5.0318，KI=2.2679.整定程序见附录
图四.未整定时系统根轨迹
图五.整定后根轨迹
在传统PID参数整定时寻找I和D的参数是一件不算容易的事情，更具Z-N法可以快
速的确定I和D的参数，这对我们的调试会起到很大的帮助，回路整定的本质就是确
定对控制器作用产生的过程反作用的积极程度和PID算法对消除误差可以提供多大的
帮助。而Z-N法课一为控制器提供非常准确的控制参数，并且可以进行微调。从而得
到理想的控制结果。
第三章各种PID控制器整定方法比较
比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。
积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数
Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大,则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。
前文提到了三种PID参数整定方法，现在来分析一下三种PID参数整定方法的优缺点对于第一种Ziegler-Nichols经验公式(Z-N公式法)，这种数学模型是在用拉普拉斯变换方法求解微分方程过程中引出来的复域中的数学模型，它不但能等同微分方程反映系统的输入、输出动态特性，而且能间接的反映结构、参数变化时对系统输出的影响而且传递函数只取决于系统(或元件 ) 的结构和参数，与外界输入无关在实际的过程控制系统中。如果数据是通过阶跃响应获得的。我们可以由下面给出的经验公式来设计PID 控制器
（Ziegler-nichols 整定参数）
这种方法可以比较快速的求出相对精准I 和D 的参数，但是由于该模型的建立是有一定的假设条件的，所以在得出结果后需要进行不断的进行尝试从而获取针对实际条件的最佳PID 参数。
第二种是临界比例度法，这是目前使用较广的一种方法，具体作法如下：先在纯比例作用下（把积分时间放到最大，微分时间放到零），在闭合的调节系统中，从大到小地逐渐地改变调节器的比例度，就会得到一个临界振荡过程。比例度叫临界比例度δk ，周期为临界振荡周期Tk 。记下δk 和Tk ，然后按下表的经验公式来确定调节器的各参数值。
这种方法在下面两种情况下不宜采用：
1）、临界比例度过小，因为这时候调节阀很容易处于全开及全关位置，对于工艺生产不利，举例来说，对于一个用燃料油（或瓦斯）加热的炉子，如δ很小，接近双位调节，将一会儿熄火，一会儿烟囱浓烟直冲。
2）、工艺上约束条件较严格时，因为这时候如达到等幅振荡，将影响生产的安全运行。
控制器 类型 由阶跃响应整定 由频域响应整定 KP
TI
TD
KP
TI
TD
P
T/KL ∞
0.5K P
∞
PI
0.9T /KL
3L
0.45KP 0.833P 0
PID
1.2T /KL
2L
L/2
0.6K P
0.5P 0.12
5P
表1 临界比例度法数据表
调节作用比例度δ（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）
比例2δk
比例积分 2.2δk 0.85Tk
比例微分 1.8δk 0.1Tk
比例积分微分 1.7δk 0.5Tk 0.125Tk
而且临界比例度法需要系统等幅震荡，并且需要多次试凑所以在使用上就不如第三种方法衰减曲线法，衰减曲线法使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改变比例度，使出现4：1的衰减比为止记下此时的比例度δs。在根据下表内的经验公式确定PID参数的数值。
调节作用比例度δ（%）积分时间Ti（分）微分时间Td（分）
比例δs
比例积分 1.2δs 0.5Ts
比例积分微分0.8δs 0.3Ts 0.1Ts
这种衰减曲线是4：1的衰减比，如果嫌震荡过强还可以采用10:1衰减比的方法，具体实现方法与4:1法相似。
但是这种方法使用的限制比较大
（1）加给定干扰不能太大，要根据生产操作要求来定，一般在5%左右，也有例外的情况。
（2）必须在工艺参数稳定的情况下才能加给定干扰，否则得不到正确得δs、Ts、或δs 和T1s值。
（3）对于反应快的系统，要精确得到4:1衰减曲线比较困难，所以只能近似的达到4:1衰减曲线。
下面介绍的是经验试凑整定方法，是几种方法里在实践中最为实用的，这种方法在
整定参数是必须认真观察系统响应情况，根据系统响应情况决定调整哪些参数，也就是在在系统调试时大致设定一个经验值然后根据调节效果调节。在闭合调节系统中逐步反复凑试一直得到满意的数据。这里是一些实际调节过程中的一些经验判定δ太大，曲线漂浮，绕弯。δ太小，曲线振荡频繁。Ti太大，曲线偏离，慢。Ti太小，曲线振荡，周期长。Td太大，曲线振荡频率快。。Td太小，动差大，波动慢。下表是集中常见的调试对象的经验调试值。
调节系统比例度
δ（%）
积分时
间Ti
（分）
微分时间
Td（分）
说明
流量40-100 0.1-1
对象时间常数小，并有杂散扰动，
δ应大，Ti较短，不必用微分。
压力30-70 0.4-3
对象滞后一般不大，δ略小，Ti略
大，不用微分。
液位20-80 1-5
δ小，Ti较大，要求不高时可不用
积分，不用微分。
温度20-60 3-10 0.5-3
对象容量滞后较大。δ小，Ti大，
加微分作用。
这种方法对与一些系统比较好用，但是这种方法的工作量比较大，并且比较依赖经验去做。而且很多时候显得不是很精确，但是试凑法的特性使得它在实际的工程中无比的实用。
参考文献
[1]李国勇.控制系统数字仿真与CAD，北京：电子工业出版社，2003,9
[2]王丹力，MATLAB控制系统设计仿真应用，北京：中国电力出版社，2007.9
[3]薛定宇，控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言及应用，北京，清华大学出版社，1996.
[4]闻新，周露MATLAB模糊逻辑工具箱的分析与应用，北京：科学出版社，2001
[5]易继锴，智能控制技术，北京，北京工业大学出版社，2003.4
[6]刘金琨，先进PID控制及其MATLAB仿真：电子工业出版社
附录题目一整定程序
%PID controller based on ziegler-nichols clear all;
close all;
sys=tf(400,[1,30,200,0]);
figure(1);
rlocus(sys);
[km,ploe]=rlocfind(sys)
wm=imag(ploe(2));
kp=0.6*km
kd=kp*pi/(4*wm)
ki=kp*wm/pi
figure(2);
grid on;
bode(sys,'r')
sys_pid=tf([kd,kp,ki],[1,0])
sysc=series(sys,sys_pid)
hold on;
bode(sysc,'b')
figure(3);
rlocus(sysc);
题目二整定程序
%pid controller based on ziegler-nichols clear all;
close all;
ts=0.25;
sys=tf(1,[10,2,0]);
dsys=c2d(sys,ts,'z');
[num,den]=tfdata,'v');
axis('square'),zgrid('new');
figure(1);
rlocus(dsys);
[km,pole]=rlocfind(dsys)
wm=angle(pole(1))/ts;
kp=0.6*km
kd=kp*pi/(4*wm)
ki=kp*wm/pi
dsys_pid=kp+kd*tf([1,-1],[1,1],ts)+ki*tf([1,0],[1,-1],ts)*ts; dsysc=dsys*dsys_pid;
figure(2);
rlocus(dsysc);
axis('square'),zgrid;
实验六：Simulin建模与仿真 一、实验目的 1、掌握Simulink建模与仿真的基本方法。 2、熟悉Simulink基本模块库及主要元件的使用方法。 二、实验学时：4学时 三、实验原理： 1、Simulink 仿真过程 在已知系统数学模型或系统框图的情况下，利用Simulink进行建模仿真的基本步骤如下。 （1）启动Simulink，打开Simulink库浏览器。 （2）建立空白模型窗口。 （3）由控制系统数学模型或结构框图建立Simulink仿真模型。 （4）设置仿真参数，运行仿真。 （5）输出仿真结果。 2、Simulink建模与仿真基本方法 根据给定的数学模型或控制系统框图，可建立Simulink仿真模型。下面以图3-1所示的控制系统框图为例，说明Simulink建模与仿真的基本方法。图中R 是单位阶跃输入信号，Y为系统输出响应。 建立图6-3所示系统框图的Simulink仿真模型的基本方法如下。 1．启动MATLAB/Simulink工具箱 依次启动MATLAB软件、Simulink模块库浏览器后，如图6-1所示。 2．建立Simulink空白模型 Simulink空白模型的建立可通过如下方法进行。 1、在MATLAB主窗口中选择【File】→【New】→【Model】命令。 2、在Simulink模块库浏览器窗口中选择【File】→【New】→【Model】命 令。 3、单击Simulink模块库浏览器工具栏中的（New model）工具。 图6-1 闭环控制系统框图 通过上述方法可以打开Simulink空白模型，如图6-2所示。并可将其保存为后缀是mdl的文件（Simulink仿真模型的文件存储格式），例如Example_Model.mdl。
《自动控制原理》控制系统的simulink仿真实验 一、实验目的 (1)初步了解Matlab中Simulink的使用方法，熟悉simulink模块的操作和信号线的连接 (2)通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，熟悉各种典型环节的响应曲线。 (3)定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、实验仪器 装配Matlab7.0的计算机 三、实验原理 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具。Simulink是一个模块图环境，用于多域仿真以及基于模型的设计。它支持系统设计、仿真、自动代码生成以及嵌入式系统的连续测试和验证。 四、实验内容及步骤 1.1 运行Matlab，在命令窗口“Command Window”下键入“Simulink”后回车，则打开相应的系统模型库；或者点击工具栏上的“Simulink”图标，进入系统仿真模型库，然后点击左上角“新文件”图标，打开模型编辑窗口。 1.2 调出模块 在系统仿真模型库中，把要求的模块都放置在模型编辑窗口里面。 从信号源模块包(Sources)中拖出1个阶跃信号(step)和1个白噪声信号发生器 (band-limited white noise) ； 从数学运算模块包(Math Operations)中拖出1个比例环节(gain)和1个加法器(sum) ； 从连续系统典型环节模块包(Continuous) 中拖出1个微分环节(Derivative)和3个传函环节(transfer Fcn)； 从信号与系统模块包(Signals Routing) 拖出1个汇流排(mux)； 从输出模块包(Sinks)中拖出1个示波器(scope)； 所有模块都放置在模型编辑窗口里面。 1.3 模块参数设置 （鼠标左键双击各典型环节，则可进行参数设置）
控制系统仿真实验报告 班级：测控1402班 姓名：王玮 学号：07
2018年01月 实验一经典的连续系统仿真建模方法 一实验目的: 1 了解和掌握利用仿真技术对控制系统进行分析的原理和步骤。 2 掌握机理分析建模方法。 3 深入理解阶常微分方程组数值积分解法的原理和程序结构，学习用Matlab编写 数值积分法仿真程序。 4 掌握和理解四阶Runge-Kutta法，加深理解仿真步长与算法稳定性的关系。 二实验内容: 1. 编写四阶 Runge_Kutta 公式的计算程序，对非线性模型（3）式进行仿真。 （1）将阀位u 增大10％和减小10％，观察响应曲线的形状; （2）研究仿真步长对稳定性的影响，仿真步长取多大时RK4 算法变得不稳定 （3）利用 MATLAB 中的ode45()函数进行求解，比较与（1）中的仿真结果有何区别。
2. 编写四阶 Runge_Kutta 公式的计算程序，对线性状态方程（18）式进行仿真（1）将阀位增大10％和减小10％，观察响应曲线的形状; （2）研究仿真步长对稳定性的影响，仿真步长取多大时RK4 算法变得不稳定（4）阀位增大10％和减小10％，利用MATLAB 中的ode45()函数进行求解阶跃响应，比较与（1）中的仿真结果有何区别。 三程序代码: 龙格库塔: %RK4文件 clc close H=[,]';u=; h=1; TT=[]; XX=[]; for i=1:h:200 k1=f(H,u); k2=f(H+h*k1/2,u); k3=f(H+h*k2/2,u); k4=f(H+h*k3,u); H=H+h*(k1+2*k2+2*k3+k4)/6;
运动控制系统实训报告 一、实训目的 本次实训的目的是让学生了解运动控制系统的基本原理和应用，掌握运动控制系统的设计和调试方法，提高学生的实际操作能力和解决问题的能力。 二、实训内容 本次实训的内容主要包括以下几个方面： 1. 运动控制系统的基本原理 运动控制系统是指通过控制电机、伺服电机、步进电机等执行器，实现对机械运动的控制。运动控制系统的基本原理包括运动控制器、执行器、传感器和控制算法等。 2. 运动控制系统的设计 运动控制系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计主要包括电机驱动器、传感器、控制器等的选型和连接；软件设计主要包括控制算法的编写和调试。 3. 运动控制系统的调试 运动控制系统的调试是指在硬件和软件设计完成后，对系统进行测
试和调整，以达到预期的控制效果。调试的过程中需要对系统的各个参数进行调整，如速度、加速度、位置等。 三、实训过程 1. 硬件设计 在硬件设计方面，我们选用了一款伺服电机和一款步进电机作为执行器，选用了一款运动控制器作为控制器。在连接方面，我们采用了串口通信的方式将运动控制器和电机驱动器连接起来，同时将传感器连接到运动控制器上。 2. 软件设计 在软件设计方面，我们采用了C语言编写控制算法，并使用了MATLAB进行仿真和调试。在编写控制算法时，我们需要考虑到电机的速度、加速度、位置等参数，并根据传感器的反馈信号进行调整。 3. 调试过程 在调试过程中，我们首先进行了电机的速度和加速度的调整，以确保电机能够按照预期的速度和加速度运动。然后，我们进行了位置的调整，以确保电机能够按照预期的位置运动。在调试过程中，我们还需要注意到传感器的反馈信号，以确保控制算法的正确性。
控制系统仿真实验技术 随着科技的不断发展，控制系统仿真实验技术已经成为了现代工程技术领域中不可或缺的一部分。控制系统仿真实验技术是一种通过计算机模拟与控制系统相关的实验过程，通过虚拟环境来进行系统的分析、设计和验证。本文将从控制系统仿真实验技术的定义、发展历程、应用领域以及未来发展趋势等方面进行探讨。 一、控制系统仿真实验技术的定义 控制系统仿真实验技术是指利用计算机和相关仿真软件模拟实际的控制系统，以达到分析、设计、验证系统的目的。这种技术通过建立数学模型，对控制系统的动态特性进行仿真，可以在实际系统建成之前进行充分的验证，以减少实际系统的调试时间和成本。仿真实验技术还可以通过虚拟环境模拟各种异常情况，帮助工程师们更好地理解和改进系统的性能。 二、控制系统仿真实验技术的发展历程 控制系统仿真实验技术的起源可以追溯到二十世纪中期，当时人们开始使用模拟计算机进行控制系统的仿真。随着计算机技术的不断进步，仿真软件的不断改进与完善，控制系统仿真实验技术逐渐成为了一种强大的工程工具。在现代，随着虚拟现实技术的发展，控制系统仿真实验技术不仅可以进行二维仿真，还可以进行逼真的三维仿真，大大提高了系统仿真的准确性和可信度。 三、控制系统仿真实验技术的应用领域 控制系统仿真实验技术已经被广泛应用于航空航天、电力系统、工业自动化、交通运输、医疗器械等领域。在航空航天领域，控制系统仿真实验技术可以用于飞行器的飞行仿真与控制；在电力系统领域，可以用于电网的稳定性分析与控制；在工业自动化领域，可以用于工业生产线的自动控制与优化；在交通运输领域，可以用于交通信号灯的控制与优化；在医疗器械领域，可以用于医疗设备的控制与安全性分析。 四、控制系统仿真实验技术的未来发展趋势 随着人工智能、大数据、云计算等新兴技术的发展，控制系统仿真实验技术也面临着新的发展机遇和挑战。未来，控制系统仿真实验技术将更加注重与实际系统的无缝集成，以实现对实际系统的实时监测与控制；虚拟现实技术的不断创新将使控制系统仿真实验技术的仿真效果更加真实、逼真；随着智能化技术的不断发展，控制系统仿真实验技术将更多地与智能控制系统相结合，实现系统的自主学习与优化。
控制系统中的虚拟仪器与实验仿真在控制系统中，虚拟仪器与实验仿真技术扮演着重要的角色。虚拟 仪器是一种通过计算机模拟实际仪器功能的技术，而实验仿真则是通 过计算机模拟实验过程和结果。这两种技术的结合，为控制系统的研 究和开发提供了便利和高效性。本文将介绍虚拟仪器和实验仿真在控 制系统中的应用，并讨论其优势和挑战。 一、虚拟仪器在控制系统中的应用 虚拟仪器在控制系统中广泛应用于测试、测量和数据采集等方面。 利用虚拟仪器，可以通过计算机控制和模拟各类仪器的功能，实现对 控制系统中各参数的监测和调节。虚拟仪器具有测量准确度高、实验 过程可重复等优点，同时也能提供更加灵活和便捷的仪器配置和控制 方式。 虚拟仪器的应用包括但不限于以下几个方面： 1. 数据采集与处理：虚拟仪器能够通过各种传感器实时采集控制系 统中的数据，并进行处理和分析。例如，在控制系统中，可以利用虚 拟仪器测量和分析温度、压力、流量等参数，从而对系统进行优化和 调整。 2. 仪器控制和配置：虚拟仪器可以模拟实际仪器的操作界面和功能，实现对仪器的控制和配置。通过虚拟仪器的界面，用户可以直接操作 和控制各类仪器，而无需实际接触实际仪器。这为控制系统的调试和 测试提供了便利。
3. 信号生成与分析：虚拟仪器可以模拟各类信号的生成和分析过程。通过虚拟仪器，可以生成不同类型的信号，并对信号进行分析和处理。这对于控制系统的信号调节和优化具有重要意义。 二、实验仿真在控制系统中的应用 实验仿真是通过计算机模拟实验过程和结果的技术，广泛应用于控 制系统的研究和开发中。通过实验仿真，可以模拟控制系统的各种工 况和场景，进而进行系统分析和优化。实验仿真的应用主要体现在以 下几个方面： 1. 系统建模与分析：实验仿真可以模拟控制系统的建模过程，通过 建立系统的数学模型，可以分析系统的稳定性、可控性、敏感性等特性。这些分析对于系统的设计和改进具有重要指导意义。 2. 参数优化与调试：通过实验仿真，可以对控制系统的各种参数进 行优化和调试。通过模拟控制系统的运行过程，并对系统参数进行修 改和调整，可以找到最优的控制策略和参数配置，提高系统的性能和 稳定性。 3. 效果评估与验证：实验仿真可以对控制系统的性能和效果进行评 估和验证。通过对实际系统的仿真，可以评估系统的工作效果和各种 应对策略的效果，从而指导实际应用中的控制策略选择和决策。 三、虚拟仪器与实验仿真的优势和挑战 虚拟仪器与实验仿真技术的应用，为控制系统的研究和开发带来了 许多优势，但同时也面临一些挑战。
机电系统是由机械、电气、电子等多个领域组成的复杂系统，它涉及 到控制、传感、执行、通信等方面的知识。机电系统控制编程与仿真 实训是培养学生综合应用机械、电气、电子等专业知识的一种重要教 学方法。通过实践操作，学习者可以加深对机电系统控制编程与仿真 技术的理解，提高工程实践能力，为将来从事相关行业打下坚实基础。下面是我个人对机电系统控制编程与仿真实训的一些总结和体会。 第一，机电系统的基本原理与知识 在进行机电系统控制编程与仿真实训之前，首先要掌握机电系统的基 本原理与知识。这包括机械结构、电气电子知识、控制理论等方面的 基础知识。只有掌握了这些基础知识，才能够更好地理解控制编程与 仿真实训的内容，更好地应用到实际操作中去。 第二，控制编程与仿真实训的内容与方法 在实训过程中，我们需要学习控制编程与仿真实训的具体内容与方法。这涉及到PLC编程、单片机编程、仿真软件的应用等方面的知识。同 时还需要学习控制系统设计、传感器应用、执行机构控制等内容。通 过这些实训内容的学习，我们可以逐步掌握机电系统的控制编程与仿 真技术，为将来的工作做好充分的准备。 第三，实训经验与心得体会 在进行机电系统控制编程与仿真实训过程中，我积累了一些宝贵的实 训经验与心得体会。要重视实践操作，加强动手能力的培养；要注重
团队合作，学会和同学们一起分工合作；要勤于思考，发现问题及时 解决。这些经验与体会对我今后的学习和工作都有着重要的指导意义。 第四，机电系统控制编程与仿真实训的意义与价值 机电系统控制编程与仿真实训是提高学生工程实践能力、培养学生团 队合作精神、锻炼学生创新能力的重要途径。通过实训操作，学生可 以将在课堂上学习到的理论知识转化为实际技能，提高自己的就业竞 争能力。实训过程中学会解决实际问题，锻炼自己的动手能力和创新 能力。机电系统控制编程与仿真实训具有重要的意义与价值。 第五，未来的努力方向与计划 在机电系统控制编程与仿真实训过程中，我发现自己还存在许多不足 之处，比如动手能力不够强、团队合作意识有待加强、创新能力不够 突出等。我将未来的学习和工作重点放在这些方面，努力提高自己的 动手能力、团队合作意识和创新能力，为将来的工作做好充分的准备。 机电系统控制编程与仿真实训是培养学生综合应用机械、电气、电子 等专业知识的一种重要方法，它对学生的综合素质提出了很高的要求。通过实训过程，我深刻体会到了机电系统控制编程与仿真技术的重要性，对自己的未来也有了更清晰的规划和定位。希望未来能够在这个 领域取得更好的成绩，为社会的发展做出自己的贡献。
现代电气控制系统实训 现代电气控制系统实训 1. 前言 现代电气控制系统是工业和制造业中至关重要的一环。它们广泛应用于机器人技术、自动化生产线、智能建筑以及能源管理等领域。为了提高工作效率和质量控制，对电气控制系统的了解和实践变得尤为重要。本文将深入探讨现代电气控制系统的实训内容，旨在为读者提供深入、综合和有价值的信息。 2. 实训内容 2.1 理论知识 现代电气控制系统的实训需要打好理论基础。学员需要了解电气控制系统的基本原理、电路分析和电气元件的使用。对控制策略、传感器和执行器也需要有所了解。 2.2 编程技能 实训课程还包括介绍编程技能。学员需要熟悉PLC（可编程逻辑控制器）和SCADA（监控与数据采集）系统的编程，以及使用基于图形编程语言如 ladder logic 和 function block diagram 编写程序。这些编程技能是实现自动化和控制的基础。
2.3 实践操作 在实训过程中，学员将有机会进行实际的系统操作和调试。他们将安装、连接和配置电气设备，并进行电路调试和故障排除。通过这些实践操作，学员能深入了解现实世界中不同电气控制系统的运行和处理方式。 2.4 项目设计 在实训的最后阶段，学员将被要求设计和实施一个完整的电气控制系统项目。这个项目将综合应用理论知识和编程技能，实现一个真实的工程应用。通过完成该项目，学员将能够将所学知识和技能应用到实际情境中，并提高解决问题的能力。 3. 个人观点和理解 现代电气控制系统实训是培养电气工程师和控制技术人才的重要环节。通过实际操作和项目设计，学员能够逐步掌握电气控制系统的核心概念和技术。这种实践教育不仅有效提高了学生的专业素养，还培养了他们的团队合作和问题解决能力。 现代电气控制系统的实训也在不断创新和发展。随着人工智能和物联网技术的进步，新一代的智能电气控制系统正在逐渐崭露头角。学员还应该具备对新技术的学习和应用能力，保持与时俱进。
控制系统的仿真与实验设计控制系统是现代工程中的关键组成部分，它能够实现对各种系统实现准确控制和稳定运行。仿真与实验是控制系统设计的重要环节，通过对系统进行仿真和实验的设计，可以有效验证和验证控制系统的性能和稳定性。本文将探讨控制系统仿真与实验设计的相关内容。 一、控制系统仿真的概念和意义 控制系统仿真是使用计算机来模拟和分析控制系统的行为和特性的过程。仿真可以帮助工程师在实际制造控制系统之前进行虚拟的测试和优化，从而降低实验成本和风险。仿真的结果可以提供对系统性能和稳定性的评估，并为控制系统设计提供重要的参考。 二、控制系统仿真的方法和工具 1. 数学建模：仿真过程中首先需要将控制系统的动态方程以数学模型的形式进行描述和建模。通常使用微分方程、差分方程、传递函数等数学工具来建立系统模型。 2. 仿真软件：控制系统仿真通常使用专业的仿真软件，如MATLAB/Simulink、LabVIEW等。这些软件提供了丰富的控制器和系统模块，可以快速搭建和模拟控制系统，并提供丰富的可视化和数据分析功能。 3. 参数调整和优化：仿真过程中可以通过调整控制系统模型中的参数，来测试不同参数下的系统性能和稳定性。通过优化算法，可以自动搜索最佳参数集合，以实现控制系统性能的最优化。
三、控制系统实验设计的要点和步骤 1. 实验目标和需求：实验设计前需明确实验的目标和需求。例如， 验证控制系统的性能、分析系统的稳定性、测试不同控制算法的效果等。 2. 实验平台的选择：根据实验的目标和需求，选择合适的实验平台。可以使用实际控制设备，也可以使用仿真软件等。 3. 实验方案设计：设计实验的具体方案，包括控制系统的组成、传 感器和执行器的选择、实验参数设置等。此外，还需考虑安全性和稳 定性等因素。 4. 实验数据采集和分析：在进行实验时，需要采集和记录实验数据，例如控制输入、输出响应等。通过数据分析可以评估控制系统的性能 和稳定性，并进行后续优化。 5. 实验结果和总结：根据实验数据的分析结果，对实验结果进行总 结和评估。如果存在问题，应提出改进措施和优化方案，为实际应用 提供参考。 四、控制系统仿真与实验设计的案例 以温度控制系统为例，控制目标是在设定温度下实现温度的稳定控制。通过仿真和实验设计，可以验证和优化温度控制系统的性能。 1. 仿真设计：使用MATLAB/Simulink搭建温度控制系统的模型， 包括传感器、执行器和控制器等组件。通过调整控制器参数，模拟温 度系统的控制特性，并观察系统响应。
实验名称：自动控制系统的MATLAB仿真分析 一、实验目的 1.熟悉MATLAB在自动控制系统仿真中的应用； 2.对自动控制系统进行仿真研究； 3.掌握用MATLAB绘制自动控制系统根轨迹及对数频率特性的方法，掌握根据系统根轨迹及对数频率特性分析自动控制系统性能的方法。 二、实验设备 1.计算机 2.MATLAB软件 三、实验内容 1.用MATLAB提供的Simulink仿真软件工具对实验一中的各个典型环节及二阶系统进行阶跃响应仿真研究，将仿真获得的阶跃响应结果与模拟电路获得的阶跃响应结果进行比较。（1）比例环节 传递函数为 200 () 51 G s= 建立仿真模型，得到的输出结果如图所示： （2）积分环节 传递函数为 9.8 () G s s = 建立仿真模型，得到的输出结果如图所示： （3）一阶惯性环节 传递函数为 3.9 () 0.21 G s s = + 建立仿真模型，得到的输出结果如图所示：
（4）比例积分环节 传递函数为 0.39781 () 0.102 s G s s + = 建立仿真模型，得到的输出结果如图所示： （5）比例微分环节 传递函数为 10 ()2 20 s G s s =+ + 建立仿真模型，得到的输出结果如图所示： （6）比例微分积分环节 传递函数为 51050 ()2 20 s G s s s + =++ + 建立仿真模型，得到的输出结果如图所示：
（7） 二阶系统的阶跃响应 ①0.325K ξ== 传递函数为 2()250 ()10250 C s R s s s =++ 建立的仿真模型与阶跃响应仿真波形如下图所示： ②0.510K ξ== 传递函数为 2()100 ()10100 C s R s s s =++ 建立的仿真模型与阶跃响应仿真波形如下图所示： ③0.75K ξ== 传递函数为 2()50 ()1050 C s R s s s =++ 建立的仿真模型与阶跃响应仿真波形如下图所示：
实验四：基于Simulink 的控制系统仿真 实验目的 1． 掌握MATLAB 软件的Simulink 平台的基本操作； 2． 能够利用Simulink 平台研究PID 控制器对系统的影响； 实验原理 PID （比例-积分-微分）控制器是目前在实际工程中应用最为广泛的一种控制策略。PID 算法简单实用，不要求受控对象的精确数学模型。 1．模拟PID 控制器 典型的PID 控制结构如图1所示。 ` 图1 典型PID 控制结构 连续系统PID 控制器的表达式为 () ()()()t p I D de t x t K e t K e d K dt ττ=++⎰ （1） 式中， P K , I K 和 D K 分别为比例系数，积分系数和微分系数，分别是这些运算的加权系数。 对式（7-21）进行拉普拉斯变换，整理后得到连续PID 控制器的传递函数为 1()(1)I C P D P D I K G s K K s K T s s T s =+ +=++ （2） 显然P K , I K 和D K 这3个参数一旦确定（注意 /,/I P I D D P T K K T K K ==），PID 控制器的 性能也就确定下来。为了避免微分运算，通常采用近似的PID 控制器，气传递函数为 1 ()(1)0.11 D C P I D T s G s K T s T s =+ ++ （3）
实验过程 PID 控制器的P K ,I K 和D K 这3三个参数的大小决定了PID 控制器的比例，积分和微 分控制作用的强弱。下面请通过一个直流电动机调速系统，利用MA TLAB 软件中的Simulink 平台，使用期望特性法来确定这3个参数的过程。并且分析这3个参数分别是如何影响控制系统性能的。 【问题】某直流电动机速度控制系统如图2所示，采用PID 控制方案，使用期望特性法来确定 P K , I K 和 D K 这3三个参数。期望系统对应的闭环特征根为：-300，-300，-30+j30 和-30-j30。请建立该系统的Simulink 模型，观察其单位阶跃响应曲线，并且分析这3个参数分别对控制性能的影响。 图2 直流电动机PID 控制系统 （1）使用期望特性法来设计PID 控制器。 首先，假设PID 控制器的传递函数为: ()I C P D K G s K K s s =+ +,其中P K ,I K 和D K 这3个 参数待定。图2所示的系统闭环的传递函数为 24 32113120550() ()660(36801357447)(4860001357447)1357447D P I B D P I K s K s K G s s s K s K s K ⨯++=++++++ 如果希望闭环极点为：-300，-300，-30+j30和-30-j30，则期望特征多项式为： 4326660127800648000016210s s s s ++++⨯。对应系数相等，可求得：0.067D K =， 4.4156P K =， 119.34 I K =。在命令窗口中输入这3个参数值，并且建立该系统的Simulink 模型，如图3所示。
华侨大学厦门工学院《智能控制技术》 实验报告 专业：电气工程及其自动化 班级： 时间：年月日～年月日 ―――――――以下指导教师填写――――― 分项成绩：出勤设计报告 总成绩： 指导教师： 目录
摘要 (1) 一、设计的目的 (2) 二、设计要求 (2) 三、设计过程 (3) 1.系统模型建立 (3) 2.模糊控制器设计 (3) 2.1 模糊集合及论域的定义 (3) 2.2模糊控制规则设计 (6) 2.3系统的参数选择 (7) 2.4仿真结果 (7) 四、设计分析 (9) 1.改变模糊控制隶属度函数对控制效果的影响 (9) 2.给系统模型加扰动对控制效果的影响 (12) 3.改变系统的参数对控制效果的影响 (13) 五、模糊控制的优点 (15) 六、总结 (15) 致谢 (16) 参考文献 (16)
摘要 模糊控制的研究主要体现在控制器的研究和开发以及各类实际应用中, 目前模糊控制已经应用在各个行业。各类模糊控制器也非常多, 模糊控制器的研究一直是控制界研究的热点问题, 而关于模糊控制系统的稳定性分析则是模糊控制需要研究和解决的基本问题。目前已经出现了为实现模糊控制功能的各种集成电路芯片。用MATLAB软件实现模糊控制系统的仿真结果，仿真结果表明MATLAB软件不但简单实用，而且响应速度快，超调量小，控制效果良好。 关键词：模糊控制仿真 MATLAB
设计目标说明 一、设计的目的： 1. 通过本次设计，进一步了解模糊控制的基本原理、模糊模型的建立和模糊控制器的设计过程。 2. 提高学生有关控制系统的程序设计能力。 3. 熟悉Matlab 语言以及在智能控制设计中的应用。 二、设计要求： 图1 模糊控制系统Simulink 仿真模型图 1、用Matlab 中的Simulink 工具箱，组成一个模糊控制系统。任意带模糊控制器的系统均可，例如一简单二阶加纯滞后系统（图1 所示）为，传递函数12()(1)(1) d s f f Ke G s T s T s τ-=++。其 中各参数分别为1240,10,60,2f f d K T T τ====。 2、采用模糊控制算法，设计出能跟踪给定输入的模糊控制器，对被控系统进行仿真，绘制出系统的阶跃响应曲线。 3、改变模糊控制器中模糊变量的隶属度函数，分析隶属度函数和模糊控制规则对模糊控制效果的影响。比较那种情况下的控制效果较好。 4、给系统加上扰动，观察此时的阶跃响应曲线，看系统是否仍然稳定，并与无扰动情况下的阶跃响应曲线进行比较。并比较模糊控制和PID 控制的鲁棒性。 5、改变系统的参数，了解模糊控制在系统参数发生变化时的控制效果。并与PID 控制器作用下系统参数发生变化时的控制效果进行比较，思考模糊控制相对于传统控制的优点。
《MATLAB及控制系统仿真》 实验指导书 （2011年第一版） 西安邮电学院自动化学院 2011年6月
目录 前言 (1) MATLAB语言实验项目 (3) 实验一熟悉MATLAB集成环境及基础运算 (3) 实验二 MATLAB的基本计算 (7) 实验三 MATLAB图形系统 (9) 实验四 MATLAB程序设计 (13) 实验五 MATLAB函数文件 (15) 实验六MATLAB数据处理及多项式计算 (17) 实验七 SIMULINK仿真实验 (21)
前言 MATLAB 产品家族是美国 MathWorks公司开发的用于概念设计、算法开发、建模仿真、实时实现的理想的集成环境。是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和SIMULINK两大部分。 MATLAB由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得 MATLAB 在多种领域都有广阔的应用空间，特别是在科学计算、建模仿真以及系统工程的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB软件工具在自动化专业、测控技术及仪器和电气工程及其自动化等专业的本科生学习中，经常用来计算、仿真和设计，尤其是MATLAB软件的仿真功能，能使学生对所学知识有更加深入的理解和分析。《MATLAB及控制系统仿真》课程，和《自动控制原理》、《现代控制理论》、《数字信号处理》、《电力电子技术》等重要的专业课程相互支撑、相辅相成，同时也有利于学生完成课程设计和毕业设计等实践教学环节。 本实验指导书共设置了12个实验项目，分别从MATLAB工作环境熟悉、MATLAB 的基本计算、MATLAB绘图功能、MATLAB基本程序设计、SIMULINK仿真实验、滤波器设计及仿真、控制系统仿真及电力电子系统仿真等实验项目，通过选取的上机实验，可使学生更好的熟悉MATLAB软件的功能，掌握MATLAB程序设计的一般方法，培养学生的应用开发能力。 每个实验2个小时左右，不同的专业可根据需求自行选择。
清华大学自动化工程学院 实验报告 课程：控制系统仿真 专业自动化班级 122 姓名学号 指导教师： 时间： 2015 年 10 月 19 日— 10 月 28 日
目录 实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算 (1) 实验二 MATLAB语言的程序设计 (6) 实验三 MATLAB的图形绘制 (9) 实验四采用SIMULINK的系统仿真 (14) 实验五控制系统的频域与时域分析 (17) 实验六控制系统PID校正器设计法 (23)
实验一 MATLAB环境的熟悉与基本运算 一、实验时间及地点： 实验时间：2015.10.19上午8:30—9:30 实验地点：计算中心 二、实验目的： 1．熟悉MATLAB开发环境 2．掌握矩阵、变量、表达式的各种基本运算 三、实验内容： 1、新建一个文件夹（自己的名字命名，在机器的最后一个盘符） 2、启动MATLAB6.5，将该文件夹添加到MATLAB路径管理器中。 3、保存，关闭对话框 4、学习使用help命令，例如在命令窗口输入help eye，然后根据帮助说明，学习使用指 令eye（其它不会用的指令，依照此方法类推） 5、学习使用clc、clear，观察command window、command history和workspace等窗口的 变化结果。 6、初步程序的编写练习，新建M-file，保存（自己设定文件名，例如exerc1、exerc2、 exerc3……），学习使用MATLAB的基本运算符、数组寻访指令、标准数组生成函数和数组操作函数。 注意：每一次M-file的修改后，都要存盘。 练习A： （1）help rand，然后随机生成一个2×6的数组，观察command window、command history和workspace等窗口的变化结果 （2）学习使用clc、clear，了解其功能和作用 （3）输入一个2维数值数组，体会标点符号的作用（空格和逗号的作用）。 （4）一维数组的创建和寻访，创建一个一维数组（1×8）X，查询X数组的第2个元素，查询X数组的第3个元素到第6个元素，查询X数组的第5个元素到最后 一个元素，查询X数组的第3、2、1个元素，查询X数组中≤5元素，将X数 组的第2个元素重新赋值为111，实例expm1。 （5）二维数组的创建和寻访，创建一个二维数组（4×8）A，查询数组A第2行、第3列的元素，查询数组A第2行的所有元素，查询数组A第6列的所有元素， 查询数组A按列拉长形成新的数组B(1×8)，查询数组A按行拉长形成新的数 组C(1×8)，以全元素赋值的方式对数组A赋值。 （6）两种运算指令形式和实质内涵的比较。设有3个二维数组A2×4，B2×4，C2×2，写出所有由2个数组参与的合法的数组运算和矩阵指令 （7）学习使用表8列的常用函数（通过help方法） （8）学习使用表9数组操作函数 （9）学习字符串的创建，a='This is an example.'
MATLAB/Simulink 与控制系统仿真实验 报告 姓名：喻彬彬
学号：K031541725
实验1、MATLAB/Simulink 仿真基础及控制系统模型的建立 一、实验目的 1、掌握MATLAB/Simulink 仿真的基本知识； 2、熟练应用MATLAB 软件建立控制系统模型。 二、实验设备 电脑一台；MATLAB 仿真软件一个 三、实验内容 1、熟悉MATLAB/Smulink 仿真软件。 2、一个单位负反馈二阶系统，其开环传递函数为2 10()3G s s s =+。用Simulink 建立该控制系统模型，用示波器观察模型的阶跃响应曲线，并将阶跃响应曲线导入到MATLAB 的工作空间中，在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。 3、某控制系统的传递函数为()()()1()Y s G s X s G s =+，其中250()23s G s s s +=+。用Simulink 建立该控制系统模型，用示波器观察模型的阶跃响应曲线，并将阶跃响应曲线导入到MATLAB 的工作空间中，在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。 4、一闭环系统结构如图所示，其中系统前向通道的传递函数为 320.520()0.11220s G s s s s s +=+++g ，而且前向通道有一个[-0.2，0.5]的限幅环节，图中用N 表示，反馈通道的增益为1.5，系统为负反馈，阶跃输入经1.5倍的增益作用到系统。用Simulink 建立该控制系统模型，用示波器观察模型的阶跃响应曲线，并将阶跃响应曲线导入到MATLAB 的工作空间中，在命令窗口绘制该模型的阶跃响应曲线。