PID仿真实验.docx

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PID仿真实验

实验1闭环控制系统仿真实验——PID控制算法仿真

一、实验目的

1．掌握PID控制规律及控制器实现。

2．掌握用Simulink建立PID控制器及构建系统模型与仿真方法。

二、实验设备

计算机、MATLAB软件

三、实验原理

在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是PID控制。

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。

PID控制规律写成传递函数的形式为

式中，

为比例系数；

为积分系数；

为微分系数；

为积分时间常数；

为微分时间常数；简单来说，PID控制各校正环节的作用如下：

（1）比例环节：

成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

（2）积分环节：

主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的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：

反映偏差信号的变化趋势（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的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，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“File/New/Model”）,在SimulinkLibraryBrowser中将需要的模块拖动到新建的窗口中，根据PID控制器的传递函数构建出如下模型：

各模块如下：

MathOperations模块库中的Gain模块，它是增益。

拖到模型窗口中后，双击模块，在弹出的对话框中将‘Gain’分别改为‘Kp’、‘Ki’、‘Kd’，表示这三个增益系数。

Continuous模块库中的Integrator模块，它是积分模块；Derivative模块，它是微分模块。

MathOperations模块库中的Add模块，它是加法模块，默认是两个输入相加，双击该模块，将‘ListofSigns’框中的两个加号（++）后输入一个加号（+），这样就改为了三个加号，用来表示三个信号的叠加。

Ports&Subsystems模块库中的In1模块（输入端口模块）和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：

“Drawingcommands”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自带的那些模块一样，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模块库中的Scope模块；CommonlyUsedBlocks模块库中的Mux模块；Continuous模块库中的Zero-Pole模块。

Step模块和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。

运行一个仿真的完整过程分成三个步骤：

设置仿真参数、启动仿真和仿真结果分析。

选择菜单“Simulation/ConfiurationParameters”，可设置仿真时间与算法等参数，如下图示：

其中默认算法是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，在弹出的对话框中可设置PID控制器的参数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。

比较以下参数的结果：

（1）Kp=,Ki=,Kd=

（2）Kp=,Ki=2,Kd=（3）Kp=,Ki=,Kd=

6、以Kp=,Ki=,Kd=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的作用。

7、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线

（1）P调节Kp=8

（2）PI调节Kp=5,Ki=2（3）PD调节Kp=,Kd=（4）PID调节Kp=,Ki=5,Kd=3

五．实验曲线及数据处理

把实验曲线记录下来，并分析不同参数下的变化情况。

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，则会增加过渡过程的波动程度。

3、P和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），但是P控制器校正产生较大的稳态误差，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。

实验2离心泵恒流量控制实验

一．实验目的

1．测定离心泵恒流量控制系统在阶跃干扰作用下，离心泵出口流量的过渡过程，利用最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间等参数评价离心泵恒流量控制系统的控制质量。

2．掌握比例度P、积分时间I参数在流量控制系统中的作用和对过渡过程品质指标的影响。

二、实验装置

过程设备与控制多功能实验台

三、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的开度，达到恒定离心泵出口流量的目的。

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的工艺参数值，在本实验中取1.5L/s。

3．测量值ym：

由传感器检测到的被控变量的实际值，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）：

实现控制作用的变量，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。

电动调节阀的输入信号范围：

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的方法，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被控变量的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的量。

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。

比例积分控制规律是比例与积分两种控制规律的组合，理想的PID调节规律的数学表达式为：

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---离心泵的出口流量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的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；

4.调节流量调节旋钮，使流量表显示值为2.0L/s；

5.按下流量表下的自动按钮；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：

被调参数的最大值。

2．余差

：

当过渡过程终了时，被调参数所达到的新的稳态值与给定值之差。

3．衰减比n：

过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，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）之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，在衰减比相同的情况下，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：

从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。

六、要求

1．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的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的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40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.实验目的

（1）测定离心泵恒流量控制系统在阶跃干扰作用下，离心泵出口流量的过渡过程，利用最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间等参数评价离心泵恒流量控制系统的控制质量。

（2）掌握比例度P、积分时间I参数在流量控制系统中的作用和对过渡过程品质指标的影响。

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、积分时间和微分时间的值对过渡过程的影响。

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的开度，达到恒定离心泵出口流量的目的。

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的工艺参数值，在本实验中取1.5L/s。

（3）测量值ym：

由传感器检测到的被控变量的实际值，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）：

实现控制作用的变量，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。

电动调节阀的输入信号范围：

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的方法，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被控变量的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的量。

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。

比例积分控制规律是比例与积分两种控制规律的组合，理想的PID调节规律的数学表达式为：

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---离心泵的出口流量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的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；

（4）调节流量调节旋钮，使流量表显示值为2.0L/s；

（5）按下流量表下的自动按钮；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的值，过渡过程如下图：

图4P=30I=5D=0

图5P=40I=5D=0

图6P=50I=5D=0

图7P=70I=5D=0

（2）改变I的值，过渡过程结果下图所示

图8P=50I=7D=0

图9P=50I=9D=0

图10P=50I=14D=0

（3）结果分析：

从

（1）中可以看出P（比例度）越大，比例作用越弱，调节器的输出越小，被控变量偏离给定值越大，过渡过程所花的时间越长；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）中可以看出，就实验结果而言，增大I的值，振荡过程变长，恢复到稳定状态的时间变长，较

（1）中的恢复到稳态的时间也长，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，随着积分时间的减小，几分作用不断增强，在相同扰动作用下，调节器的输出增大，最大偏差减小，余差消除加快，但同时系统的振荡加剧，稳定性下降，积分时间过小，还可能导致系统的不稳定。

我院任课教师有实验课的均要求有实验报告，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，经辅导实验的教师批改后按照实验室收集存档。