高级过程控制实验

1、高级过程控制实验一 基于继电特性反馈控制的PID参数自整定数字仿真实验1实验内容和目的用数字仿真反馈控制系统实现基于继电特性反馈控制的PID参数的手工整定和自整定，以便深入理解这种PID参数的自整定方法和原理，并掌握该方法的应用。实验后写出实验报告。2实验原理 由继电特性控制器与被控对象构成反馈控制系统如图1所示。理论分析表明：只要被控对象最大负相移大于180°，则该系统必出现自振荡。用某种方法测得自振荡幅值和频率。并分别记为和，由非线性环节的描述函数定义，可得继电特性（理想）的描述函数，其中d为继电特性的开关幅值。图1 继电特性反馈控制系统由闭环反馈系统的自振荡条件：即由此可得：，

2、即在频率处的对象频率特性如图2所示，进而得系统的临界振荡增益：依据或和或，可确定PID参数。图2、对象频率特性具体算法：（1）、按照Z-N（Ziegler-Nichols）整定规定查表确定参数值。控制律P0.50PI0.450.850PID0.60.50.125（2）、按给定增益裕量和相位裕量确定参数值。设PID控制器：系统开环传函：要求系统的增益裕量为（给定值，一般取为2） （1）同时要求系统的相位裕量为（给定值，一般取为） （2）由由（1）式可得：进而可得：即 （3）因其中所以即 （4）由工程经验取，（一般取4）。 （5）由方程（3）、（4）、（5）联立解得： （6） （7） （8）（3）

3、、改进型继电特性反馈控制PID参数整定改进型继电特性反馈控制结构如图3所示，即在继电特性控制器前面串接积分器。因系统中增加的积分环节相移为90°，因此只要对象最大负相移大于90°，在继电特性反馈下，系统产生自振荡。图3 加积分环节的继电特性反馈系统系统中线性部分的传函为：在自振荡状态下，系统开环频率特性为：而且必须满足幅值条件： （9）相位条件：（10）由（9）式可得：由（10）式可得：由此可知，通过该系统的自振荡频率和便可获得被控对象频率特性与负虚轴交点的幅值，如图4所示，进而依据此来整定PID或PI参数。图4加积分环节的继电特性反馈系统的频率特性(a) 按照给定增益裕量

4、和相位裕量整定PID参数。设控制器应满足 即由上述条件可得： （11） （12）取 （13）（11）、（12）、（13）式联立可解得： （14） （15） （16）式中，和分别为自振荡频率和幅值。（b）按照给定和整定PI参数。设，应满足： （17） 即 （18）由（17）、（18）可知： （19） （20）一般取3实验步骤： 首先从如下几种典型模型中确定其中一种模型为被控对象，并设置相应的参数。典型对象： 并设置理想继电特性的参数d和设定输入R。1） 手工整定实验：（1） 启动继电特性常规反馈系统（2） 从屏幕上目测振荡周期 或频率和振荡幅值。 （3） 手工计算或者，并由Z-N规则参数表获取相

5、应的控制律P、PI、或PID的各个参数。（4） 将获得的所选控制律的参数值由界面输入计算机，并将系统切换到PID的控制状态。（5） 观察并记录整定的PID控制系统的性能。2） 基于Z-N规则自整定实验。（1） 先选定控制律，然后重新启动继电特性常规反馈系统并实现自整定，即由计算机在线测得自振频率（或）和振幅，并在线查表获得所选控制律的参数值，进而自动切换为PID控制状态。（2） 观察并记录PID自整定控制系统的性能。3） 基于给定增益裕量和相位裕量的PID的手工整定实验。（1） 重新启动继电特性常规反馈系统。（2） 人工目测振荡频率和幅值。（3） 给定，以及值，并手工计算PID的参数值。（4）

6、 由界面输入PID参数，并将系统切换至PID控制状态。（5） 观察并记录整定PID控制性能。4） 基于给定增益裕量相位裕量的PID的自整定实验。（1） 设置和以及值并输入计算机。（2） 重新启动继电特性常规反馈系统。（3） 由计算机在线测得自振频率（或）和的值，并按给定的、和值计算和整定PID参数值，同时自动切换为PID控制状态。（4） 观察并记录整定PID控制性能。5） 基于改进法和给定增益裕量相位裕量的PID的手工整定实验。（1） 重新启动继电特性改进型反馈系统，并人工目测振荡频率和幅值。（2） 给定的、和值，手工计算PID参数值。（3） 由界面输入计算机，并将系统切换至PID控制状态。（4） 观察并记录整定PID控制性能。6) 基于改进法和给定增益裕量相位裕量的PID的自整定实验。（1） 设置、和值，并输入计算机。（2）