过程控制系统课程设计

1 设计目的与要求 设计目的与要求 了解并掌握单回路控制系统的构成和控制原理 了解 PID 参数整定的基本方法 如 Ziegler Nichols 整定方法 临界比例度法或衰减曲线法 学会用 matlab 中的 Simulink 仿真 系统进行 PID 参数整定 2 设计正文 设计正文 在热工生产过程中 最简单 最基本且应用最广泛的就是单回路控制系统 其他各种 复杂系统都是以单回路控制系统为基础发展起来的 单回路控制系统的组成方框原理图如图 1 所示 它是由一个测量变送器 一个控制器 和一个执行器 包括调节阀 连同被控对象组成的闭环负反馈控制系统 干扰 图 1 单回路控制系统组成原理方框图 控制器的参数整定可分为理论计算法和工程整定法 理论计算方法是基于一定的性能 指标 结合组成系统各环节的动态特性 通过理论计算求得控制器的动态参数设定值 这 种方法较为复杂繁琐 使用不方便 计算也不是很可靠 因此一般仅作为参考 而工程整 定法 则是源于理论分析 结合实验 工程实际经验的一套工程上的方法 较为简单 易 掌握 而且实用 常用的工程整定法有经验法 临界比例度法 衰减曲线法 响应曲线法 等等 本设计中主要是应用 Ziegler Nichols 整定方法来整定控制器的参数 参数整定的基本要求如下所述 1 通过整定选择合适的参数 首先要保证系统的稳定 这是最基本的要求 2 在热工生产过程中 通常要求控制系统有一定的稳定裕度 即要求过程有一定的衰 减比 一般要求 4 1 10 1 3 在保证稳定的前提下 要求控制过程有一定的快速性和准确性 所谓准确性就是要 求控制过程的动态偏差和稳态偏差尽量地小 而快速性就是要求控制时间尽可能地短 总之 以稳定性 快速性 准确性去选择合适的参数 目前工程上应用最广泛的控制是 PID 控制 这种控制原理简单 使用方便 适应性强 鲁棒性强 其控制品质对被控对象的变化不太敏感 1 比例控制 P 控制 Gc s Kp 1 2 比例积分控制 PI 控制 Gc s Kp 1 1 TIs 1 1 1 TIs 3 比例积分微分控制 PID 控制 Gc s Kp 1 1 TIs TDs Ziegler Nichols 法是一种基于频域设计 PID 控制器的方法 根据给定对象的瞬态响应 来确定 PID 控制器的参数 如果单位阶跃响应曲线看起来是一条 S 形的曲线 则可用如下 传递函数近似 控制器 对象 执行器 变送器 sR sC 1 Ts Ke Ls 利用延迟时间 L 放大系数 K 和时间常数 T 根据表 1 中的公式确定 Kp TI TD的 值 令 KL T 控制器类型KpTITD P1 0 PI0 9 3L0 PID1 2 2L0 5L 例 如图所示的控制系统 R s C s 系统的开环传递函数 G 0 s 1 s 1 6 采用 Ziegler Nichols 法整定系统 P PI PID 控 制器的参数 并绘制系统的阶跃响应曲线 用最小二乘拟合方法求出该传递函数的一阶延迟近似模型 程序如下 function K L T getfold G y t step G fun inline x 1 1 exp t x 2 x 3 t x 2 x t x lsqcurvefit fun 1 1 1 t y K x 1 L x 2 T x 3 在命令窗口输入 s tf s G 1 s 1 6 K L T getfold G 得出 K 1 0542 L 3 1621 T 3 5147 则系统的一阶延迟模型近似为 G0 S 15147 3 0542 1 1621 3 s e s 继续输入 s tf s G 1 s 1 6 K 1 0542 T 3 5147 L 3 1621 a K L T Kp 1 a P 控制 Kp 0 9 a TI 3 L PI 控制 Kp 1 2 a TI 2 L TD 0 5 L PID 控制 得 a 0 9484 Kp 1 0544 Kp 0 9489 TI 9 4863 Kp 1 2652 TI 6 3242 TD 1 5811 则 所设计的控制器模型为 P 控制 GC S 1 0544 PI 控制 GC S 0 9489 1 1 9 4863s Gc s G0 S PID 控制 GC S 1 2652 1 1 6 3242s 1 5811s 建立如图所示的 Simulink 仿真模型 将 Kp 值置 1 把反馈连线 微分器的输出连线 积分器的输出连线都断开 选定仿真 时间 可得出系统开环的单位阶跃响应曲线 P 控制时 将 Kp 设为 1 0544 将反馈连线连上 仿真运行 得到响应曲线 PI 控制时 将 Kp 设为 0 9489 TI 设为 9 4863 将积分器的输出连线连上 仿真运行 得出响应曲线 PID 控制时 将 Kp 设为 1 2652 TI 设为 6 3242 TD 设为 1 5811 将微分器的输出连 线连上 运行仿真得出响应曲线 将三种控制下的响应曲线可以看出 P 控制和 PI 控制两者的响应速度基本相同 因为 这两种控制的比例系数不同 因此系统稳定的输出值不同 PI 控制的超调量比 P 控制的要 小 PID 控制比 P 控制和 PI 控制的响应速度快 但是超调量大些 通过变化各项参数的大小可以总结出以下几条基本的 PID 参数整定规律 1 增大比例系数一般将加快系统的响应 在有静差的情况下有利于减小静差 但是过 大的比例系数会使系统有比较大的超调 并产生振荡 使稳定性变差 2 增大积分时间有利于减小超调 减小振荡 使系统的稳定性增加 但是系统静差消 除时间变长 3 增大微分时间有利于加快系统的响应速度 使系统的超调量减小 稳定性增加 但 系统对扰动的抑制能力减弱 3 设计心得体会 设计心得体会 通过这次的设计实验 我进一步巩固了书本中所学的单回路控制相关的内容 掌握了 有关 PID 控制的相关知识和内容 同时学会了用 Ziegler Nichols 方法整定 PID 控制器的各 种参数 用 Matlab 中的 Simulink 仿真系统求出系统的阶跃响应