单回路控制系统参数整定()

课程设计报告( 2015- 2016年度第2学期)名 称： 过程控制系统 题 目： 单回路控制系统参数整定 院 系： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 第十七周 成 绩： 日期：2016年6月23日过程控制系统课程设计任 务 书一、 目的与要求1 掌握单回路控制系统整定方法；2 掌握PID参数对控制品质影响规律；3 运用相应软件开发单回路控制系统整定程序。二、 主要内容1 学习基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法；2 开发单回路控制系统PID参数整定程序；3 寻找不同PID参数对控制品质影响规律。三、 进度计划序号设计内容完成时间备注1学习控制系统参数整定方法一天2开发、调试PID参数整定程序三天3总结并撰写设计报告一天四、 设计成果要求1 阐明基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法的基本原理；2 完整的、可运行的单回路控制系统PID参数整定程序；3 验证整定的PID参数下的控制效果，给出控制曲线图，同时给出其它PID参数下的控制曲线图，总结不同PID参数对控制品质影响规律。五、 考核方式1 设计报告；2 设计答辩。2、 设计（实验）正文1.学习基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法；1）经验法内容：经验法实际是一种试凑法，是在生产实践中总结出来的参数整定法，该法在现场中得到了广泛的应用。利用经验法对系统的参数进行整定时，首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；若调节过程不满足要求，则修改调节器参数，再作阶跃扰动试验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。 实验步骤：(1) 首先将调节器的积分时间Ti置最大，微分时间Td置最小，根据经验设置比例带的数值，完成后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率则可，否则改变比例带的值，重复上述试验，直到满意为止； (2) 将调节器的积分时间Ti由最大调整到某一值，由于积分作用的引入导致系统的稳定性下降，因而应将比例带适当增大，一般为纯比例作用的1.2倍。系统投入闭环运行，待系统稳定后，作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率则可，否则改变积分时间Ti的值，重复上述试验，直到满意为止； (3) 将调节器的微分时间由小到大调整到某一数值，系统投入闭环运行，待系统稳定后，作阶跃扰动试验，观察调节过程，修改微分时间重复试验，直到满意为止；2）临界比例带法 内容：临界比例带法又称边界稳定法，首先将调节器设置成纯比例调节器，然后系统闭环投入运行，将比例带由大到小改变，观察系统输出，直到系统产生等幅振荡为止。记下此状态下的比例带数值（即为临界比例带k）和振荡周期Tk，然后根据经验公式计算调节器的其它参数。实验步骤： (1) 将调节器的积分时间Ti置于最大，微分时间Td置最小，即Ti，Td0；置比例带为一个较大的值；(2) 系统闭环投入运行，待系统稳定后调整比例带的数值直到出现等幅振荡。记录并计算临界状态下临界比例带cr和振荡周期Tcr，根据表21计算调节器的参数；(3)根据cr和Tcr,由计算公式求得控制器的各个参数。(4) 将调节器按计算出的参数设置好，系统闭环投入运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察系统的调节过程，适当修改参数，直到满意为止。 临界比例带法计算公式：控制规律TiTdPPIPID2cr2.2cr1.7cr0.85Tcr0.5Tcr0.125Tcr3） 衰减曲线法内容： 衰减曲线法是在临界比例带法的基础上发展起来的，它既不象经验法那样要经过大量的试凑过程，也不象临界比例带法那样要求系统产生临界振荡过程。它是利用比例作用下产生的4:1衰减振荡（0.75）过程时的调节器比例带s及衰减周期Ts，或10:1衰减振荡（0.9）过程时的调节器比例带s及过程上升时间tr，根据经验公式确定调节器的参数。 实验步骤：(1) 置调节器参数Ti，Td0，比例带为一个较大的值，将系统投入闭环运行；(2) 待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察控制过程。若大于要求的数值，则逐步减小比例带并重复试验，直到出现0.75或0.9的控制过程为止，并记下此时的比例带s；(3) 根据控制过程曲线求取0.75衰减周期Ts或0.9时的上升时间tr；(4) 计算调节器的参数、Ti、Td。(5) 按计算结果设置调节器的参数，作阶跃扰动试验，观察调节过程，适当修改调节参数，直到满意为止。 衰减曲线法计算公式：规律TiTd规律TiTd0.75PPIPIDs1.2s0.8s0.5Ts0.3Ts0.1Ts0.9PPIPIDs1.2s0.8s2tr0.8tr0.4tr4）响应曲线法内容：响应曲线法则是根据对象的阶跃响应曲线，求得对象的一组特征参数、（无自平衡能力的对象）或、（有自平衡能力的对象），然后按公式计算调节器的整定参数。2.采用临界比例带法，开发单回路控制系统PID参数整定程序。1) .PID控制原理常规PID控制系统主要由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制。控制器的输出和输入之间的关系可描述为：式中， 为比例系数， 为积分时间常数，为微分时间常数。2) MATLAB编程实现设被控对象的数学模型为反馈环节为单位负反馈。(1)置调节器参数Ti，Td0，比例带k为一个较大的值，将系统投入闭环运行；(2)系统闭环投入运行，待系统稳定后调整比例带k的数值直到出现等幅振荡。记录并计算临界状态下临界比例带cr和振荡周期Tcr。被控对象阶跃响应：G0=tf(1,0.8,1.7,2,1); G=feedback(G0,1);step(G)title(被控对象阶跃响应);grid on;调节Kp,直至出现等幅震荡。G0=tf(1,0.8,1.7,2,1); P=3.25;axis(0 25 0 1.5); %figure; hold onG=feedback(P*G0,1);step(G)grid on;记录此时cr=1/3.25,Tcr=6.32-2.41=3.51s。(3)根据cr和Tcr,由计算公式求得控制器的各个参数。= 1.7cr=52.3%，Ti=0.5Tcr=1.775s,Td=0.125Tcr=0.44s。(4)将调节器按计算出的参数设置好，系统闭环投入运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察系统的调节过程，适当修改参数，直到满意为止。整定后阶跃响应曲线：G0=tf(1,0.8,1.7,2,1); Kp=1.91;Ti=1.775;Td=0.44;Gc=tf(Kp*Ti*Td,Ti,1,Ti,0); axis(0 25 0 1.5); %figure; hold onG=feedback(Gc*G0,1);step(G)grid on;适当调整参数，= 50%，Ti=2,Td=0.6s。3). PID控制器参数对控制性能的影响(1)K取不同值时的阶跃响应G0=tf(1,0.8,1.7,2,1); Kp=2:0.5:4; Ti=2; Td=0.6;figure; hold onfor i=1.9:length(Kp)Gc=tf(Kp(i)*Ti*Td,Ti,1,Ti,0); G=feedback(G0*Gc,1);step(G) endgrid on (2)Ti取不同值时的阶跃响应G0=tf(1,0.8,1.7,2,1);Kp=2; Ti=1:0.5:3; Td=0.6; t=0:0.1:20; figure; hold onfor i=1:length(Ti)Gc=tf(Kp*Ti(i)*Td,Ti(i),1,Ti(i),0); G=feedback(G0*Gc,1);step(G) endgrid on(3)Td取不同值时的阶跃响应G0=tf(1,0.8,1.7,2,1);Kp=2; Ti=2; Td=0.2:0.2:1.0; t=0:0.1:20;figure; hold onfor i=1:length(Td)Gc=tf(Kp*Ti*Td(i),Ti,1,Ti,0); G=feedback(G0*Gc,1);step(G) endgrid on 三、课程设计总结或结论PID控制器参数对控制性能的影响1)比例系数比例系数加大，偏差越小，但会引起被调量的来回波动，造成系统不稳定。比例系数越小，可以使被调量变化平稳甚至没有超调，但稳态偏差会很大，而且调节时间较长。 2)积分时间常数积分时间常数太小会降低系统的稳定性，增大系统的振荡次数。但是可以消除就静态误差。3)微分时间常数微分控制作用只对动态过程起作用，而对稳态过程没有影响。适当的微分作用可起