华南农业大学过程控制实验报告.docx
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华南农业大学过程控制实验报告.docx
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华南农业大学过程控制实验报告
实验一PID参数整定
一、实验目的
1、了解PID调节原理,P、I、D对被控系统调节过程的影响。
2、利用Simulink工具箱对PID参数进行整定。
二、实验设备
PC计算机一台,安装Matlab6.0(以上版本)。
三、实验原理和步骤
(一)实验原理
1、PID控制参数
PID调节的动作规律是
(式1-1)
式1-1中,Kp为比例系数;Ti为积分时间常数;TD为微分时间常数;u(t)为控制器输出;e(t)为控制器输入。
2、PID参数Kp、Ti、TD对控制过程的影响
(1)比例系数Kp。
增大Kp,比例带
减小,加快系统的响应速度,有利于减小残差,但不能消除残差。
Kp过大会使系统产生超调,振荡次数增多,调节时间长,影响系统的稳定性。
(2)积分时间常数Ti。
增大Ti,可减小超调,减小振荡,使系统稳定,消除残差。
(3)微分时间常数TD。
加入TD调节,可改善系统动态特性,减小超调量,缩短调节时间。
微分时间过大或过小都会影响超调量,只有适当的微分时间常数才能获得满意的调节过程。
微分作用使得系统对扰动变敏感。
(二)实验内容
1、过程控制系统常用的PID调节器传递函数为
(式1-2)
式1-2中,Kp,Ki,KD分别是比例系数、积分系数、微分系数。
2、某被控对象为二阶惯性环节,其传递函数为:
;测量装置和调节阀的特性为:
。
现采用稳定边界法整定PID参数:
(1)启动Matlab的Simulink工具箱,搭建系统方框图,如图1所示
图1
(2)双击图1中的3个Gain元件,在其对话框里填入Kp、Ki和Kd,将仿真环境中的“StopTime”设置为60,“Relativetolerance”设置为1e-5【在菜单栏simulation---configurationparameters】。
(3)在Matlab环境下初始化相应的PID参数变量。
回到MatlabCommandWindows,键入以下代码:
Kp=1;Ki=0;Kd=0;
(4)回到Simulink环境下,点击“开始”按钮开始仿真。
未整定PID参数前,在比例系数Kp=1的调节下,被控系统的输出曲线如图2所示。
图2
(5)利用稳定边界法整定PID三个参数。
先选取较大的Kp,例如100,使系统出现不稳定的增幅振荡,然后采取折半取中的方法寻找临界增益,例如第一个点是Kp=50,如果仍未增幅振荡则选取下一点Kp=25,否则选取Kp=75。
直到出现等幅振荡为止,如图3所示。
此时Kp=12.5,等幅振荡两峰值之间的时间为T=15.2s。
(大约值)
(6)按照稳定边界法计算PID参数。
稳定边界法的计算公式如表1所示。
调节规律
Kp
Ki
Kd
P
0.5Kp
—
—
PI
0.455Kp
0.535Kp/T
—
PID
0.6Kp
1.2Kp/T
0.075Kp*T
根据表1,计算得Kp=7.5,Ki=0.986,Kd=14.25。
回到MatlabCommandWindows,键入以下代码:
Kp=7.5;Ki=0.986;Kd=14.25;
然后回到Simulink环境下,点击:
“开始”按钮仿真,得阶跃响应曲线如图4所示:
从图4可得,系统的响应曲线过渡过程时间超过30s,超调量大于50%,可降低积分系数Ki重新进行仿真。
思考题:
1、减小Ki,保持Kp和Kd不变,使系统的阶跃响应超调量在30%左右。
2、如何调整Kp、Ki、Kd,使系统的阶跃响应没有超调量。
并用MATLAB仿真。
实验二单回路控制系统的设计与仿真
一、实验目的
1、了解PID调节原理,P、I、D对被控系统调节过程的影响。
2、掌握利用Simulink工具箱对单回路控制系统分别采用PID、PD和大积分PID控制规律的区别。
二、实验设备
PC计算机一台,安装Matlab6.0(以上版本)。
三、实验内容
1、已知被控对象的传递函数为
,执行器的传递函数为:
,检测变送仪表传递函数为
。
2、单回路控制系统的方框图,如图1所示。
图1
3、用MATLAB的Simulink画出上述系统,如图2所示。
图2
4、按照实验一设置图2回路1的PID参数,使得被控参数曲线没有超调。
记录此时Kp,Ki,Kd值和仿真曲线。
5、图2回路2采用PD调节,去掉积分调节作用,记录仿真曲线,与回路1曲线比较。
比较结果:
去掉了积分调节,曲线稳态值不能达到期望值。
6、图2回路3采用大比例积分PID调节,增大Ki=30,记录仿真曲线,与回路1和回路2曲线比较。
比较可以知道:
曲线产生明显的振荡,且达到稳定时间增加
实验三串级控制系统的设计与仿真
一、实验目的
1、了解串级控制系统的特点。
2、掌握利用Simulink工具箱对串级控制系统的参数进行整定的方法。
二、实验设备
PC计算机一台,安装Matlab6.0(以上版本)。
三、实验内容
1、已知主被控对象传递函数为:
,副被控对象传递函数为:
,副环干扰通道传递函数为:
,主、副测量变送装置和执行器传递函数分别为:
,
,
。
2、画出串级控制系统框图及想用控制对象下单回路控制系统的框图。
图1
图2
3、用MATLAB的Simulink画出上述两个系统,分别如图3串级控制系统和图4单回路控制系统。
图3
图4
4、图3中,分别设定主调节器和副调节器的参数,使得串级控制系统的控制性能良好。
记录仿真曲线。
(提示主调节器采用P比例调节,Kp在80-120之间,副调节器采用PD调节,Kp在40-60之间,Kd在15-25之间)。
5、图4中,采用步骤4所得到的主调节器参数,得到单回路控制系统的阶跃响应曲线,并记录下来,与图3的响应曲线做比较。
实验四Simth预估补偿控制仿真
一、实验目的
1、了解Simth预估补偿控制的特点。
2、掌握利用Simulink工具箱对采用Smith补偿器的反馈控制系统的PID参数进行整定的方法。
二、实验设备
PC计算机一台,安装Matlab6.0(以上版本)。
三、实验内容
1、已知被控对象的传递函数为:
2、画出采用Smith补偿器的反馈控制系统的方框图及相应的单回路控制系统方框图:
图1
图2
3、用MATLAB的Simulink画出上述系统,分别如图3的Smith补偿控制和图4单回路控制。
图3
图4
4、调节图3中的PID参数,使得采用Smith补偿器的反馈控制系统控制性能良好,并记录仿真曲线。
5、采用图3所调整的PID参数,作用于图4单回路控制系统中,记录仿真曲线,比较图3和图4两条仿真响应曲线。
分析图4单回路控制系统曲线失真原因。
图4单回路控制系统曲线失真的原因是没有对延迟环节进行补偿。
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