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(2)积分环节:
主要用于消除静差,提高系统得无差度.积分作用得强弱取决于积分时间常数,越大,积分作用越弱,反之则越强.
(3)微分环节:
反映偏差信号得变化趋势(变化速率),并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效得早期修正信号,从而加快系统得动作速度,减少调节时间。
四、实验过程
1、在MATLAB命令窗口中输入“simulink”进入仿真界面.
2、构建PID控制器:
(1)新建Simulink模型窗口(选择“”),在SimulinkLibrary Browser中将需要得模块拖动到新建得窗口中,根据PID控制器得传递函数构建出如下模型:
各模块如下:
MathOperations模块库中得Gain模块,它就是增益.拖到模型窗口中后,双击模块,在弹出得对话框中将‘Gain’分别改为‘Kp’、‘Ki’、‘Kd’,表示这三个增益系数.
Continuous模块库中得Integrator模块,它就是积分模块;
Derivative模块,它就是微分模块。
MathOperations模块库中得Add模块,它就是加法模块,默认就是两个输入相加,双击该模块,将‘ListofSigns'
框中得两个加号(++)后输入一个加号(+),这样就改为了三个加号,用来表示三个信号得叠加。
Ports&
Subsystems模块库中得In1模块(输入端口模块)与Out1模块(输出端口模块)。
(2)将上述结构图封装成PID控制器。
①创建子系统。
选中上述结构图后再选择模型窗口菜单“Edit/CreatSubsystem"
②封装。
选中上述子系统模块,再选择模型窗口菜单“Edit/MaskSubsystem”
③根据需要,在封装编辑器对话框中进行一些封装设置,包括设置封装文本、对话框、图标等。
本次试验主要需进行以下几项设置:
Icon(图标)项:
“Drawingmands”编辑框中输入“disp(‘PID’)”,如下
上图示:
Parameters(参数)项:
创建Kp,Ki,Kd三个参数,如下图示:
至此,PID控制器便构建完成,它可以像Simulink自带得那些模块一样,进行拖拉,或用于创建其它系统.
3、搭建一单回路系统结构框图如下图所示:
所需模块及设置:
Sources模块库中Step模块;
Sinks模块库中得Scope模块;
monlyUsedBlocks模块库中得Mux模块;
Continuous模块库中得Zero-Pole模块.Step模块与Zero-Pole模块设置如下:
4、构建好一个系统模型后,就可以运行,观察仿真结果.运行一个仿真得完整过程分成三个步骤:
设置仿真参数、启动仿真与仿真结果分析.选择菜单“Simulation/Confiuration Parameters”,可设置仿真时间与算法等参数,如下图示:
其中默认算法就是ode45(四/五阶龙格—库塔法),适用于大多数连续或离散系统。
5、双击PID模块,在弹出得对话框中可设置PID控制器得参数Kp,Ki,Kd:
设置好参数后,单击“Simulation/Start"
运行仿真,双击Scope示波器观察输出结果,并进行仿真结果分析。
比较以下参数得结果:
(1)Kp=8、5,Ki=5、3,Kd=3、4
(2)Kp=6、7,Ki=2,Kd=2、5 (3)Kp=4、2,Ki=1、8,Kd=1、7
6、以Kp=8、5,Ki=5、3,Kd=3、4这组数据为基础,改变其中一个参数,固定其余两个,以此来分别讨论Kp,Ki,Kd得作用.
7、分析不同调节器下该系统得阶跃响应曲线
(1)P调节Kp=8
(2)PI调节Kp=5,Ki=2(3)PD调节Kp=8、5,Kd=2、5(4)PID调节Kp=7、5,Ki=5,Kd=3
五.实验曲线及数据处理
把实验曲线记录下来,并分析不同参数下得变化情况。
六、总结
1、P控制规律控制及时但不能消除余差,I控制规律能消除余差但控制不及时且一般不单独使用,D控制规律控制很及时但存在余差且不能单独使用。
2、比例系数越小,过渡过程越平缓,稳态误差越大;
反之,过渡过程振荡越激烈,稳态误差越小;
若Kp过大,则可能导致发散振荡.
Ti越大,积分作用越弱,过渡过程越平缓,消除稳态误差越慢;
反之,过渡过程振荡越激烈,消除稳态误差越快.
Td越大,微分作用越强,过渡过程趋于稳定,最大偏差越小;
但Td过大,则会增加过渡过程得波动程度。
3、P与PID控制器校正后系统响应速度基本相同(调节时间ts近似相等),但就是P控制器校正产生较大得稳态误差,而PI控制器却能消除余差,而且超调量较小.PID控制器校正后系统响应速度最快,但超调量最大.
小知识
PID常用口诀:
参数整定找最佳,从小到大顺序查,先就是比例后积分,最后再把微分加,曲线振荡很频繁,比例度盘要放大,曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳,曲线偏离回复慢,积分时间往下降,曲线波动周期长,积分时间再加长,曲线振荡频率快,先把微分降下来,动差大来波动慢,微分时间应加长,理想曲线两个波,前高后低4比1。
ﻬ实验2离心泵恒流量控制实验
一.实验目得
1.测定离心泵恒流量控制系统在阶跃干扰作用下,离心泵出口流量得过渡过程,利用最大偏差、余差、衰减比、振荡周期与过渡时间等参数评价离心泵恒流量控制系统得控制质量。
2.掌握比例度P、积分时间I参数在流量控制系统中得作用与对过渡过程品质指标得影响。
二、实验装置
过程设备与控制多功能实验台
离心泵恒流量控制系统图如图1所示,控制过程如图2所示。
图1离心泵恒流量控制系统图 图2离心泵恒流量控制过程
离心泵恒流量控制系统为单回路简单控制系统,安装在离心泵出口管路上涡轮流量传感器TT将离心泵出口流量转换成脉冲信号,其脉冲频率经频率/电压转换器转换成电压信号后输出至流量调节器TC,TC将流量信号与流量给定值比较后,按PID调节规律输出4—20mA信号,驱动电动调节阀改变调节阀得开度,达到恒定离心泵出口流量得目得。
离心泵恒流量控制系统方框图如图3所示。
控制参数如下:
1.控变量y:
离心泵出口流量Q.
2.定值(或设定值)ys:
对应于被控变量所需保持得工艺参数值,在本实验中取1.5 L/s。
3.测量值ym:
由传感器检测到得被控变量得实际值,在本实验中为离心泵出口流量值Q.
4.操纵变量(或控制变量):
实现控制作用得变量,在本实验中为离心泵出口流量。
使用电动调节阀作为执行器对离心泵出口流量进行控制。
电动调节阀得输入信号范围:
4-20mA;
输出:
阀门开度0—16mm.
5.干扰(或外界扰动)f:
干扰来自于外界因素,将引起被控变量偏离给定值。
在本实验中采用突然改变离心泵转速得方法,改变离心泵出口压力,人为模拟外界扰动给控制变量造成干扰.
6.偏差信号e 被控变量得实际值与给定值之差,e=ys—ym。
ym---离心泵出口流量值Q。
ys--—离心泵出口流量设定值。
7.控制信号u 工业调节器将偏差按一定规律计算得到得量。
离心泵恒流量控制系统采用比例积分控制规律(P1D)对离心泵流量进行控制。
比例积分控制规律就是比例与积分两种控制规律得组合, 理想得PID调节规律得数学表达式为:
图3离心泵恒流量控制系统方框图
假定在时间t=0之前,系统稳定,且被调参数———离心泵得出口流量Q等于设定值.若在t=0时刻,外加压力阶跃干扰,离心泵出口压力开始变化并按衰减振荡得规律经过一段时间后,离心泵出口流量逐渐趋于稳定。
完成了一次过渡过程。
四、实验步骤
1.将流量表设定值设为:
SV=2。
0L/s,P=300,I=4;
2、开动冷水泵,关闭出口截止阀或出口球阀
3、调节压力调节旋钮,使压力表显示值为0、45Mpa;
4、调节流量调节旋钮,使流量表显示值为2.0L/s;
5、按下流量表下得自动按钮;
当流量稳定后,鼠标点击清空数据库,鼠标点击记录数据,开始记录数据;
6、调节压力调节旋钮使压力改变0、05Mpa左右,造成人为干扰,观察流量恢复过程;
7、退出组态王,运行数据处理程序,观察温度变化曲线。
五、计算过渡过程质量指标
1.最大偏差A:
被调参数得最大值.
2.余差:
当过渡过程终了时,被调参数所达到得新得稳态值与给定值之差。
3。
衰减比n:
过渡过程曲线上同方向得相邻两个波峰之比,一般n取4~10之间为宜.
4.振荡周期:
过渡过程同向两波峰(或波谷)之间得间隔时间叫振荡周期或工作周期,在衰减比相同得情况下,周期与过渡时间成正比,一般希望振荡周期短一些为好。
5。
过度时间ts:
从干扰作用发生得时刻起,直到系统重新建立新得平衡时止,过渡过程所经历得时间。
六、要求
写出实验报告.
2.回答思考题。
思考题
1.离心泵恒流量控制系统在压力阶跃干扰作用下,比例度P得大小对过渡过程会产生什么影响?
2.离心泵恒流量控制系统在阶跃压力干扰作用下,积分常数I得大小对过渡过程会产生什么影响?
中北大学机械工程与自动化学院
实验报告
课程名称过程装备控制技术及应用学号1302054140 学生姓名 姜树林 辅导教师 刘广璞
系别
过程装备与控制工程
实验室名称
实验时间
1.实验名称
离心泵恒流量控制实验
2、实验目得
(1)测定离心泵恒流量控制系统在阶跃干扰作用下,离心泵出口流量得过渡过程,利用最大偏差、余差、衰减比、振荡周期与过渡时间等参数评价离心泵恒流量控制系统得控制质量。
(2)掌握比例度P、积分时间I参数在流量控制系统中得作用与对过渡过程品质指标得影响。
3、实验内容
在PID控制规律下,在相同干扰作用下,分别改变比例度、积分时间与微分时间得值对过渡过程得影响。
4、实验原理
离心泵恒流量控制系统图如图1所示,控制过程如图2所示。
图1离心泵恒流量控制系统图 图2离心泵恒流量控制过程
离心泵恒流量控制系统为单回路简单控制系统,安装在离心泵出口管路上涡轮流量传感器TT将离心泵出口流量转换成脉冲信号,其脉冲频率经频率/电压转换器转换成电压信号后输出至流量调节器TC,TC将流量信号与流量给定值比较后,按PID调节规律输出4—20mA信号,驱动电动调节阀改变调节阀得开度,达到恒定离心泵出口流量得目得。
离心泵恒流量控制系统方框图如图3所示。
(1)控变量y:
离心泵出口流量Q。
(2)定值(或设定值)ys:
(3)测量值ym:
(4)操纵变量(或控制变量):
电动调节阀得输入信号范围:
4—20mA;
输出:
阀门开度0-16mm。
(5)干扰(或外界扰动)f:
干扰来自于外界因素,将引起被控变量偏离给定值。
(6)偏差信号e被控变量得实际值与给定值之差,e=ys—ym。
ym——-离心泵出口流量值Q。
ys---离心泵出口流量设定值.
(7)控制信号u 工业调节器将偏差按一定规律计算得到得量.
离心泵恒流量控制系统采用比例积分控制规律(P1D)对离心泵流量进行控制。
比例积分控制规律就是比例与积分两种控制规律得组合,理想得PID调节规律得数学表达式为:
图3离心泵恒流量控制系统方框图
假定在时间t=0之前,系统稳定,且被调参数——-离心泵得出口流量Q等于设定值。
若在t=0时刻,外加压力阶跃干扰,离心泵出口压力开始变化并按衰减振荡得规律经过一段时间后,离心泵出口流量逐渐趋于稳定。
完成了一次过渡过程.
5、实验过程及步骤
(1)将流量表设定值设为:
SV=2。
0L/s,P=300,I=4;
(2)开动冷水泵,关闭出口截止阀或出口球阀
(3)调节压力调节旋钮,使压力表显示值为0、45Mpa;
(4)调节流量调节旋钮,使流量表显示值为2.0 L/s;
(5)按下流量表下得自动按钮;
当流量稳定后,鼠标点击清空数据库,鼠标点击记录数据,开始记录数据;
(6)调节压力调节旋钮使压力改变0、05Mpa左右,造成人为干扰,观察流量恢复过程;
(7)退出组态王,运行数据处理程序,观察温度变化曲线。
6.实验结论及心得
(1)改变P得值,过渡过程如下图:
图4 P=30I=5 D=0
图5 P=40I=5 D=0
图6 P=50I=5D=0
图7P=70I=5D=0
(2)改变I得值,过渡过程结果下图所示
图8 P=50I=7D=0
图9P=50 I=9 D=0
图10 P=50I=14 D=0
(3)结果分析:
从
(1)中可以瞧出P(比例度)越大,比例作用越弱,调节器得输出越小,被控变量偏离给定值越大,过渡过程所花得时间越长;
反之,比例度越小,最大偏差越小,振荡周期也越短,工作频率提高。
从
(2)中可以瞧出,就实验结果而言,增大I得值,振荡过程变长,恢复到稳定状态得时间变长,较(1)中得恢复到稳态得时间也长,当I增大到一定值时,过渡过程为等幅振荡,不会恢复到稳定状态,系统出现不稳定情况。
积分时间对过渡过程具有双重性,随着积分时间得减小,几分作用不断增强,在相同扰动作用下,调节器得输出增大,最大偏差减小,余差消除加快,但同时系统得振荡加剧,稳定性下降,积分时间过小,还可能导致系统得不稳定。
我院任课教师有实验课得均要求有实验报告,每个实验项目要求有一份实验报告,实验报告按照格式书写完毕后,经辅导实验得教师批改后按照实验室收集存档.
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- PID 仿真 实验