单回路自动调节系统的整定.doc

实验三 单回路自动调节系统的整定一、实验目的a) 熟悉单回路调节系统的整定方法；b) 了解调节器参数对调节过程的影响。二、实验内容对下列调节系统进行仿真，先根据调节对象估算出调节器各参数（、Ti、Td）的值，再观察各参数值的变化对调节过程的影响。调节对象的参数可自行选取，例如可选T0=10，n= 4或5。进行仿真实验，当需要显示多条仿真曲线时可采用如下所示的仿真框图：其中，PID模块可以从Simulink Extras |Additional Linear图形子库中提取。该模块传递函数或者我们自己可以构建这个功能模块，如下所示：单回路调节系统的整定方法主要有临界比例带法、图表整定法和衰减曲线法等，下面介绍其中两种，可任选其中一种方法进行实验。1临界比例带法 临界比例带法是在纯比例作用下将系统投入闭环运行，不断改变比例带的数值使调节系统产生等幅振荡，并记录对应的临界比例带c和临界振荡周期Tc。然后根据c和Tc得到系统所希望的衰减率时的其它整定参数。具体整定步骤如下：（1）设置调节器整定参数Ti，Td=0，置于较大的数值后，将系统投入闭环运行。（2）系统运行稳定后，适量减小比例带的数值并施加阶跃扰动，观察被调量的变化，直到出现等幅振荡为止。记录此时的临界比例带c和临界振荡周期Tc。（3）根据临界比例带c和临界振荡周期Tc，调节器中的整定参数可按下式计算：（i） P调节器：2c ；（ii） PI调节器：2.2c，Ti0.85Tc ；（iii） PID调节器：1.67c，Ti0.5Tc ；Td0.25Ti 。所列的计算公式是按衰减率=0.75时为依据的。根据调节系统采用不同的调节器类型，选用不同的计算公式，求出整定参数。（4）将计算出的各整定参数值设置到调节器中，对系统作阶跃扰动试验，观察被调量的阶跃响应，适当修改各整定参数，直到满意为止。2图表整定法图表整定法是通过被调对象阶跃响应曲线的特征参数，经查图表求取调节器各整定参数的。它适用于典型的多容热工被调对象，图表见附表1和附表2。采用图表整定法首先对被调对象作阶跃扰动试验，记录阶跃响应曲线，求取阶跃响应曲线上的特征参数：自平衡率、飞升速度、迟延时间和时间常数Tc,然后通过附表1或附表2的计算公式计算调节器的各整定参数。表中的计算公式是依据衰减率=0.75制定的，若需要得到其它衰减率数值，计算公式要进行修正。表中的计算公式适用于阶数较高的被调对象，对于一阶和二阶的被调对象，计算得到整定参数投入运行后将具有较大的衰减率（0.75）。三、实验结果（1）根据整定法求得P调节器：= 0.5PI调节器：= 0.55 ； Ti = 82.45 PID调节器：= 0.4175 ； Ti = 48.5 Td = 12.125 利用计算得到的调节器参数进行仿真仿真曲线（P、PI、PID对应的三条曲线）：性能指标：P调节器：衰减率 =（M1-M3）/M1=(0.971-0.762)/（0.971-0.667）=0.685 超调量 Mp=（Ymax-Y）/Y=(0.971-0.667)/0.667=0.456 动态偏差Emax=0.971-1=-0.029 静态偏差E=0.667-1=0.333 峰值时间tp=65s, 调节时间ts=257sPI调节器：衰减率 =（M1-M3）/M1=(1.261-1.084)/（1.26-1）=0.677 超调量 Mp=（Ymax-Y）/Y=(1.261-1)/1=0.261 动态偏差Emax=1.261-1=-0.261 静态偏差E=1-1=0 峰值时间tp=82s, 调节时间ts=285sPID调节器：衰减率 =（M1-M3）/M1=(1.352-1.072)/（1.352-1）=0.795 超调量 Mp=（Ymax-Y）/Y=(1.352-1)/1=0.352 动态偏差Emax=1.352-1=0.352 静态偏差E=1-1=1峰值时间tp=79s, 调节时间ts=210s（2）改变PID调节器参数进行仿真（i）保持Ti 、Td不变，改变 ：1/=2, 1/ =2.4, 1/=4仿真曲线（至少三条）：（ii）保持、Td不变，改变Ti ：1/Ti1=2; 1/Ti2=2.4; 1/Ti3=4仿真曲线（至少三条）：（iv） 保持、Ti不变，改变Td ： Td1=5, Td2=12.125, Td3=25仿真曲线（至少三条）：四、实验小结 P调节器： 从调节过程中可知，增大，会使衰减加快，振荡减弱，但是静态偏差会加大，调节作用变小。所以，应在保证系统的稳定下选择适当的衰减率。 PI调节器：从调节中可以发现，无论怎么调节，系统的静态偏差都为0。当积分时间减小，消除静态偏差的能力就越强，积分时间变大，会使振荡加剧，衰减率下降。 PID调节器：通过微调，可以改变动态品质，使衰减率增加。从这次试验，我对P、PI、PID调节器的特性有了更加的理解。这也解决了我在自动调节学习中的很多疑点，以后要更加深入的学习此软件。6实验四 三冲量双回路汽包给水调节系统的整定一、实验目的1 学会复杂系统的分析整定；2 熟悉汽包给水自动调节系统整定的步骤；3 了解PI调节器参数及分流系数对调节过程的影响。二、实验内容汽包给水三冲量自动调节系统方框图，如下所示。图中，H、D、W分别为汽包水位、蒸汽流量和给水流量；Go1(s)、Go2(s)分别为给水流量和蒸汽流量对汽包水位的传递函数：， ；D、W、H分别为蒸汽流量D、给水流量W和汽包水位H测量变送器的传递系数，DW0.083，H0.033；D、W分别为蒸汽流量和给水流量的分流系数，DW0.21；KZ、Ku分别为执行机构和阀门的特性系数，KZ10，Ku2。要求分别对三冲量汽包给水自动调节系统的内外回路进行整定，并进行计算机仿真。系统中存在内、外两个闭合回路。内回路是由给水流量信号W局部反馈构成，外回路是由汽包水位信号H反馈到系统调节器输入端构成的。蒸汽流量信号D只是引入的前馈信号，在系统中该信号并没有形成闭合回路，前馈调节不会影响系统的稳定性，在整定调节系统时，只需要对两个闭合回路进行稳定性的分析。整定的具体步骤如下：1内回路的整定内回路方框图如下所示。内回路系统的闭环传递函数为 在内回路中有三个可以改变的参数：比例带、积分时间Ti和给水流量侧的分流系数w，可以把w归纳到调节器中构成一个等效调节器，等效调节器的传递函数为等效调节器的等效比例带为 在整定内回路时，先对w任意选取一个数值（如：w =1），然后通过试验来改变和Ti的值，一般取Ti为5-10秒，再调整值直到满意为止，即把内回路整定为一个能迅速消除自发性内部扰动的快速随动系统。整定得到的结果是Ti数值和/w的比值，整定时w只是一个任意选取的值，在整定外回路时w是一个唯一的整定参数，一旦w有了确定的数值后，也要随之改变，以保证/w比值不变（即：内回路特性不因为w的改变而改变）。2外回路的整定调节器参数可以设置得较小，使内回路成为快速随动系统，即：或 。去除不影响调节系统稳定性的前馈信号通道，可得到外回路系统方框图，如下所示。外回路已可以看作是一个单回路调节系统，可采用整定单回路调节系统的方法来整定外回路。内回路在外回路中相当于处在调节器的位置，因此，外回路调节器的传递函数为：外回路的调节器实际上是一个比例调节器,它的等效比例带为因为是一个确定的常数，所以外回路的稳定性及其它性能完全由来决定。整定外回路时，可采用工程整定法来整定参数，得到值。如果利用图表法整定，首先通过试验获得广义被调对象的阶跃响应曲线（广义被调对象的输入信号为给水流量W，输出信号是水位侧差压变送器的输出值）。求得和的数值，查图表求取整定参数。可求出 根据外回路整定得到的值，可求出调节系统比例积分调节器中的比例带值。3蒸汽流量侧的选择要使静态偏差为零，静态时必须满足ID=IW，即：在正常运行时，可认为D=W，D=W，则有D=W因此，为了克服静态偏差，蒸汽流量侧分流器的分流系数D必须等于给水流量侧分流器的分流系数W。三、实验结果1、内回路：（1）整定得：Ti 6 /w= 0.015 （2）仿真曲线：2、外回路：（1）整定得： w = 0.3 = 20 D = 0.3 （2）仿真曲线：（3）性能指标： 衰减率 =（M1-M3）/M1=(37-31)/（37-30）=0.857 超调量 Mp=（Ymax-Y）/Y=(37-31)/30=0.2 动态偏差Emax=37-1=36 静态偏差E=30-1=29 峰值时间tp=83s, 调节时间ts=215s3、整个回路的系统整定和微调 （1）W为输入信号，仿真曲线如下性能指标：衰减率 =（M1-M3）/M1=(10.5-0.7)/（10.5-0）=0.93 动态偏差Emax=10.5-1=9.5 静态偏差E=0-1=-1 峰值时间tp=46s, 调节时间ts=249sH为输入信号，仿真曲线如下性能指标衰减率 =（M1-M3）/M1=(37-31)/（37-30）=0.857 超调量 Mp=（Ymax-Y）/Y=(37-31)/30=0.2 动态偏差Emax=37-1=36 静态偏差E=30-1=29 峰值时间tp=90s, 调节时间ts=200sD为输入信号，仿真曲线如下性能指标衰减率 =（M1-M3）/M1=(1.8-0.2)/（1.8-0）=0.889 动态偏差Emax=1.8-1=0.8 静态偏差E=0-