单回路控制系统参数整定

1、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. 运用相应软件幵发单回路控制系统整定程序。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. 幵发单回路控制系统 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幵发、调试PID参数整定程

2、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。二、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，

3、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3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 3 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。

4、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3 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)

5、 将调节器的积分时间 Ti 置于最大，微分时间 Td 置最小，即 Ti 1汽 Td= 0;置比例带3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 3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 3 cr和振荡周期Ter，根据 表 21 计算调节器的参数；(3) 根据3 cr和Ter,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3TiTdP2 3 erPI2.2 3 er0.85TerPI1.7 3 er0.5T

6、er0.125TerD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(如=0.75 )过程时的调节器比例带3 s及衰减周期Ts，或10:1衰减振荡(如=0.9 )过程 时的调节器比例带3 s及过程上升时间tr，根据经验公式确定调节器的参实验步骤:(1) 置调节器参数Ti lx，Td = 0,比例带3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。若如大于要求的数值，则逐步减小比例带 3并重复试验，直到出现 如

7、=0.75或如=0.9 的控制过程为止，并记下此时的比例带 3 s;(3) 根据控制过程曲线求取 如=0.75衰减周期Ts或如=0.9时的上 升时间tr ;(4) 计算调节器的参数3、Ti、Tdo(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3TiTd规律3TiTd0.75P3 s0.P3 sPI1.2 3 s0.5Ts9PI1.2 32trPID0.8 3 s0.3Ts0.1TsPIDs0.8t r0.4t r0.8 3s4)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£、T

8、 (无自平衡能力的对象)或 £、p、T (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，幵发单回路控制系统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，KP为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。2) MATLAB编程实现设被控对象的数学G0( S )模型为反馈环节为单位负反馈。1

9、0. 8S31. 7S22S1(1) 置调节器参数Ti *， Td= 0，比例带3 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 3 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3 cr和振荡周期Ter。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 on G=f

10、eedback(P*G0,1);step(G) grid on;记录此时 3 cr=1/3.25,Tcr=6.32-2.41=3.51s。(3) 根据3 cr和Tcr,由计算公式求得控制器的各个参数。3 = 1.7 3 cr=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,T

11、i,0); axis(0 25 0 1.5);%figure; hold on G=feedback(Gc*G0,1);step(G) grid on;适当调整参数， 3 = 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 on for i=1.9:length(Kp) Gc=tf(Kp(i)*Ti*Td,Ti,1,Ti,0); G=feedback(G0*Gc,1); step(G) endgrid on(

12、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 on for 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 微分作用可起到减