内科大材料成型控制工程基础实践教学

PAGEPAGE1实验一、二PID调节器的参数整定及其对加热炉炉温控制系统调节质量的影响一、开放接收对象本科生二、考核方式成果形式：实验仿真结果考核方式：现场测试三、实验目的:PID控制器是工业过程控制中最常用的调节器，具有鲁棒性好和可靠性高等优点。而PID参数的整定是PID控制器应用的核心问题。采用实验仿真方法来研究PID参数与系统性能关系，既是控制理论的具体应用，又是确定PID参数的有效办法。通过本实验的研究，学生可以将自控理论与实际相结合，提高学生自控理论应用的能力，并掌握PID控制器在工业实际中的应用方法。了解和观测PID基本控制规律的作用，对系统动态特性和稳态特性及稳定性的影响。验证调节器各参数(Kp，Ti，Td),在调节系统中的功能和对调节质量的影响。工业加热炉炉温的PID参数整定及炉温调节质量的影响四、实验内容:1.分别对系统采取比例(P)、比例微分(PD)、比例积分(PI)、比例积分微分(PID)控制规律，通过观察一阶系统和二阶系统的响应曲线，分析系统各性能的变化情况。观测定值调节系统（扰动作用时）在各调节规律下的响应曲线。观测调节器参数变化对定值调节系统瞬态响应性能指标的影响。最后对工业加热炉炉温（以炉温1000℃为模拟对象）进行相关参数整定，并观察与分析参数整定对炉温控制系统质量的影响五、实验原理:参考输入量（给定值）作用时，系统连接如图1所示：图1扰动信号作用时，系统连接如图2所示：图2加热炉炉温一阶和二阶控制系统的SIMULINK实现见图3所示。（a）一阶模型（b）二阶模型图3加热炉炉温控制系统的SIMULINK实现六.实验步骤:利用MATLAB中的Simulink仿真软件。l.参考教材，建立如图1所示的实验原理图；2.将鼠标移到原理图中的PID模块进行双击，出现参数设定对话框，将PID控制器的积分增益和微分增益改为0，使其具有比例调节功能，对系统进行纯比例控制。3.单击工具栏中的图标，开始仿真，观测系统的响应曲线，分析系统性能；调整比例增益，观察响应曲线的变化，分析系统性能的变化。4.重复步骤2~3，将控制器的功能改为比例微分控制，观测系统的响应曲线，分析比例微分控制的作用。5.重复步骤2~3，将控制器的功能改为比例积分控制，观测系统的响应曲线，分析比例积分控制的作用。6.重复步骤2~3，将控制器的功能改为比例积分微分控制，观测系统的响应曲线，分析比例积分微分控制的作用。7.参照教材中的步骤，绘出如图2所示的方块图;8.将PID控制器的积分增益和微分增益改为0，对系统进行纯比例控制。不断修改比例增益，使系统输出的过渡过程曲线的衰减比n=4，记下此时的比例增益值。9.修改比例增益，使系统输出的过渡过程曲线的衰减比n=2，记下此时的比例增益值。10.修改比例增益，使系统输出呈临界振荡波形,记下此时的比例增益值。11.将PID控制器的比例、积分增益进行修改，对系统进行比例积分控制。不断修改比例、积分增益,使系统输出的过渡过程曲线的衰减比n=2，4，10，记下此时比例和积分增益。12.将PID控制器的比例,积分,微分增益进行修改，对系统进行比例、积分、微分控制。不断修改比例、积分、微分增益，使系统输出的过渡过程曲线的衰减比n=2、4、10记下此时的比例、积分、微分增益值。13.参照图3建立仿真系统，进行加热炉炉温参数整定。一阶炉温控制系统整定后的温度曲线如图4所示。仿真PID参数为：Ts=10s，Kp=0.45，Ti=0.0115，Td=2.55，r=1000图4加热炉一阶控制系统的仿真响应输出图现象：系统基本符合工程要求。分析原因：系统的PID控制参数中积分系数Ti调节基本合理。系统超调量是15%，满足工程要求（工程要求小于24%）；静差基本消失为零，过渡时间为280秒也能满足工程要求。所以由1000℃炉温二阶控制系统整定后的温度曲线如图5所示。图5加热炉二阶控制系统的仿真响应输出图现象：系统符合工程要求。分析原因：系统的超调量是6%，符合工程要求（工程要求小于24%）；过渡过程时间230秒符合工程要求，静差为零。由1000℃七.思考题:1.比例微分控制规律对改变系统的性能有什么作用？2.比例积分控制规律对改变系统的性能有什么作用？3.定值调节系统与随动调节系统其响应曲线有何区别?在阶跃