摘 要

现在越来越多的虚拟系统逐渐走进我们的教学生活之中，传统的试验以及很多的大型实验设备就一步步的落后淘汰了，为了让更多的学生能够了解应用新的教学方法和虚拟仪器，我设计了一个以MATLAB为基础的PID参数整定的试验界面。本文主要介绍了目前PID控制在国内外的研究现状，及PID控制器的理论基础其对连续系统性能指标的改善作用，还有对MATLAB软件的基本功能和操作的介绍，对MATLAB GUI有着一个初步的认知，能够准确清晰的了解到MATLAB的应用价值。在界面设计的时候，充分利用了MATLAB的图形用户界面在界面设计上的优势，利用guide对界面进行编辑优化，设置每一个按钮在参数整定中的作用，实现了各个参数对函数曲线的影响，使PID的控制仿真变得更加的智能便捷。在MATLAB环境下对控制器进行了设计和仿真。用户只需先在设计的GUI模型输入窗口建立被控对象的模型，不需要对界面进行任何其他的编程和计算，可以轻易的绘制出不同参数下的系统响应图，求出系统性能指标。为设计人员节省时间和精力，有一定的工程应用价值。

关键词：PID控制，MATLAB，仿真，GUI

Simulation System of PID Control Based on

ABSTRACT

Now more and more virtual system gradually into our teaching life, the traditional test and a lot of large-scale experimental equipment on a step by step backward out, in order to allow more students to understand the application of new teaching methods and virtual Instrument, I designed a MATLAB-based PID parameter tuning test interface. This paper mainly introduces the current research situation of PID control at home and abroad, and the theoretical basis of PID controller. The basic function and operation of MATLAB software are introduced, and the MATLAB GUI has a preliminary The cognitive, can accurately and clearly understand the application value of MATLAB. In the interface design, make full use of MATLAB graphical user interface in the interface design advantages, the use of guide to edit the interface optimization, set each button in the role of parameter tuning to achieve the parameters of the parameters of the curve, So that the PID control simulation becomes more intelligent and convenient. The controller is designed and simulated in MATLAB environment. Users only need to first in the design of the GUI model input window to establish the object of the model, do not need any other programming and calculation of the interface, you can easily draw a different parameters under the system response map, find the system performance indicators. For designers to save time and energy, have a certain value of engineering applications.

Key words: PID control，MATLAB，simulation，GUI

目 录

1 绪论 1

1.1 课题提出的背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文的主要研究内容 3

2 PID控制的理论基础 4

2.1 PID控制的相关参数 4

2.1.1 比例（P）控制 4

2.1.2 积分（I）控制 6

2.1.3 微分（D）控制 7

2.2 PID调节器的参数工程整定 9

3 MATLAB的功能简介 10

3.1 MATLAB 的主要功能及特点 10

4 判断系统的稳定性 12

4.1 伯德图 12

4.2 奈奎斯特图 14

5 界面设计（GUI） 16

5.1 GUI程序概述 16

5.2 打开GUI开发环境 17

5.3 使用GUIDE创建GUI界面 18

5.3.1 GUIDE界面概述 18

5.3.2 交互组件 19

5.3.3 设计菜单 22

5.4 界面完成 24

6 PID控制器的参数整定 25

6.1 界面运行 25

7 总结与展望 30

7.1 工作总结 31

7.2 展望 31

致谢 32

参考文献 33

附录A：界面各个交互组件的源程序 35

1. 绪论

1.1 课题提出的背景和意义

目前，还是有很多的学校运用理论的课程对试验的内容和设施进行区分。教学的办法还在使用原来的。试验室的多个试验材料构成不了一个完美的全体，观点不能全面性的概括。试验的内容倾向于理论的实验论证和模仿性操作，同学们的实验内容都一个样，同学们的思维被局限在一个极其小的领域之中。对综合能力的匮乏，学生的创新能力的一种提高；再者说，对于现在的试验教学，在学校里很多的设施都要求有，况且很多的电子设施又比较贵。有些需要的功能又缺失,需要采购新的仪器。因而仪器设施方面必须的资金较多。很多的学校由于一些资金方面的原因不能够买电子设备，导致了很多的电子设施的陈旧。试验教学中，试验内容的更新将构成仪器更新的必要性，这也造成了一些设施的报废^[17]。致使试验设施落后，试验方式没有改变过，学生们逐渐对试验的兴趣降低，从而在一定的程度上约束了试验教学和培训的进度，提高了人才素质，大大影响了教学研究。电子类的试验教学是很多专业不会中止的一项科研项目。明确测量的仪器和操作设施运用方法是每一个学生实现科学试验的根底。通常的教学办法是让学生在指导老师的指导下进行实践运用，然后的问题就是教员的事情特别多从而难以对一切学生进行辅导，不仅学生的成绩不能够得到提升，也会加快电子设备的损耗。在虚拟仪器的根底上构成这样的虚拟试验，虚拟设备的使用有如下的一些好处：

1. 缩减了试验仪器的使用资金

在一台普通的计算机上就能够完成不同类型的电机实验功，节约了实验的成本。二是试验室设备维护费用通常比较高，浪费大量人力物力^[17]。虚拟的电子设施让更多的学生得到试验的机会，减小了维护的资金。

1. 重置教程管理规模，打开教学新局面

使用虚拟试验系统能够通过网络传输我们的试验数据，导师可以在自己的计算机上直接监督，能够管理较多的学生同时在电脑上进行试验。

在80年代中期美国的一家企业提出虚拟设施的这一想法。这个想法的主要是使用计算机作为仪器设施的硬件支持，与操作、存储、回放、调用使用电脑。这些性能显示、文件控制、传统乐器和各种非业余设施的软件功能，使这些性能与计算机相结合，这使传统的五金工具出现完全相同的功能，同时充分运用新的仪器设施系统，因为所有的设备的按钮，按钮和功用面板，和管制的虚拟软件的构成，这就是通常人们所说的虚拟仪器。