单回路控制系统参数整定文档格式.docx

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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

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δ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δ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δk）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→∞，Td＝0；

置比例带δ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δ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δcr和振荡周期Tcr，根据表2－1计算调节器的参数；

（3）根据δcr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

δ

Ti

Td

P

PI

PID

2δcr

δcr

——

3）衰减曲线法

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（ψ＝）过程时的调节器比例带δs及衰减周期Ts，或10:

1衰减振荡（ψ＝）过程时的调节器比例带δs及过程上升时间tr，根据经验公式确定调节器的参数。

（1）置调节器参数Ti→∞，Td＝0，比例带δ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ψ大于要求的数值，则逐步减小比例带δ并重复试验，直到出现ψ＝或ψ＝的控制过程为止，并记下此时的比例带δs；

（3）根据控制过程曲线求取ψ＝衰减周期Ts或ψ＝时的上升时间tr；

（4）计算调节器的参数δ、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：

ψ

规律

δs

2tr

4）响应曲线法

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ε、τ（无自平衡能力的对象）或ε、ρ、τ（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→∞，Td＝0，比例带δk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δk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δcr和振荡周期Tcr。

被控对象阶跃响应：

G0=tf（1,[,,2,1]）;

G=feedback（G0,1）;

step（G）

title（'

被控对象阶跃响应'

）;

gridon;

调节Kp,直至出现等幅震荡。

P=;

axis（[0250]）;

%

figure;

holdon

G=feedback（P*G0,1）;

记录此时δcr=1/,Tcr=。

δ=δcr=%，Ti==,Td==。

（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：

Kp=;

Ti=;

Td=;

Gc=tf（Kp*[Ti*Td,Ti,1],[Ti,0]）;

G=feedback（Gc*G0,1）;

适当调整参数，δ=50%，Ti=2,Td=。

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

Kp=[2:

:

4];

Ti=2;

Td=;

fori=:

length（Kp）

Gc=tf（Kp（i）*[Ti*Td,Ti,1],[Ti,0]）;

G=feedback（G0*Gc,1）;

step（G）

end

gridon

（2）Ti取不同值时的阶跃响应

Kp=2;

Ti=[1:

3];

t=0:

20;

figure;

fori=1:

length（Ti）

Gc=tf（Kp*[Ti（i）*Td,Ti（i）,1],[Ti（i）,0]）;

gridon

（3）Td取不同值时的阶跃响应

Td=[:

];

length（Td）

Gc=tf（Kp*[Ti*Td（i）,Ti,1],[Ti,0]）;

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小动态偏差，缩短控制过程时间的作用。

从PID控制器的控制效果看出要取得较好的控制效果，就必须合理的选择控制器的参数。

总之，比例控制主要用于偏差的“粗调”，保证控制系统的“稳”；

积分控制主要用于偏差的“细调”，保证控制系统的“准”；

微分控制主要用于偏差的“细调”，保证控制系统的“快”。

四、参考文献

[1]刘禾,白焰,李新利,《火电厂热工自动控制技术及应用》，中国电力出版社，2009。