双容水箱实验报告采用PID+模糊控制Word格式文档下载.docx
《双容水箱实验报告采用PID+模糊控制Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《双容水箱实验报告采用PID+模糊控制Word格式文档下载.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
下面是典型的PID控制系统结构图：
图1-1
其中PID控制器由比例单元〔P〕、积分单元〔I〕和微分单元〔D〕组成.
〔1〕比例〔P〕调节作用
是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差.比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定.
〔2〕积分〔I〕调节作用
是使系统消除稳态误差,提高无差度.因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值.积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强.反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢.积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器.
〔3〕微分〔D〕调节作用
微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除.因此,可以改善系统的动态性能.在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间.微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利.此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零.微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器.
二．被控对象的分析与建模
该系统控制的是有纯延迟环节的二阶双容水箱,示意图如下：
图2-1
其中
分别为水箱的底面积,
为水流量,
为阀门1、2的阻力,称为液阻或流阻,经线性化处理,有：
.则根据物料平衡对水箱1有：
拉式变换得：
对水箱2：
则对象的传递函数为：
其中
为水箱1的时间常数,
水箱2的时间常数,K为双容对象的放大系数.若系统还具有纯延迟,则传递函数的表达式为：
延迟时间常数.
在参考各种资料和数据的基础上,可设定该双容水箱的传递函数为：
三．PID参数整定方法概述
3.1PID控制器中比例、积分和微分项对系统性能影响分析
在MATLAB中建立对象的传递函数模型
在命令行中输入：
sys=tf<
2,[100201],'
inputdelay'
5>
;
sysx=pade<
sys,1>
比例作用
分析在不同比例系数下,系统的阶跃响应图,输入命令：
P=[0.10.51510];
figure,holdon
fori=1:
length<
P>
G=feedback<
P<
i>
*sys,1>
step<
G>
end
得到图形如下：
图3-1
图中分别绘出了K为0.1,0.5,1,5,10时的阶跃响应图,可知当K增大时系统的稳态误差不断减小,响应时间加快,并出现振荡.
积分作用
分析在不同积分常数下,系统的阶跃响应图,输入命令：
Ti=[3:
0.5:
5];
t=0:
2:
100;
Kp=1;
Ti>
Gc=tf<
Kp*[1,1/Ti<
],[1,0]>
Gc*sys,1>
G,t>
得图形如下：
图3-2
由图可知,积分作用虽可消除误差,但加入积分调节可使系统稳定性下降,途中甚至可出现不稳定的情况,同时动态响应变慢,调节时间变大.
微分作用
分析在不同微分时间常数下,系统的阶跃响应图,输入命令：
Td=[1:
4:
20];
1:
Td>
[5*Td<
5,1],[5,0]>
sys*Gc,1>
图3-3
图中绘出了Td为1逐渐增大至20时的系统阶跃响应变化趋势,可知微分时间常数增加时,系统上升时间增加了,但是调节时间减少,更重要的是由于带有预测作用,惯性系统的超调量大大减小了.
3.2PID参数的整定方法
采用PID控制器时,最关键的问题就是确定PID控制器中比例度PB、积分时间Ti和微分时间Td.一般可以通过理论计算来确定这些参数,但往往有误差,不能达到理想的控制效果.因此,目前,应用最多的有工程整定法：
如经验法、衰减曲线法、临界比例度法和反应曲线法,各种方法的大体过程如下：
〔1〕经验法
又叫现场凑试法,即先确定一个调节器的参数值PB和Ti,通过改变给定值对控制系统施加一个扰动,现场观察判断控制曲线形状.若曲线不够理想,可改变PB或Ti,再画控制过程曲线,经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止,这时的PB和Ti就是最佳值.如果调节器是PID三作用式,那么要在整定好的PB和Ti的基础上加进微分作用.由于微分作用有抵制偏差变化的能力,所以确定一个Td值后,可把整定好的PB和Ti值减小一点再进行现场凑试,直到PB、Ti和Td取得最佳值为止.
显然用经验法整定的参数是准确的.但花时间较多.为缩短整定时间,应注意以下几点：
①根据控制对象特性确定好初始的参数值PB、Ti和Td.可参照在实际运行中的同类控制系统的参数值,或参照表3-4-1所给的参数值,使确定的初始参数尽量接近整定的理想值.这样可大大减少现场凑试的次数.
②在凑试过程中,若发现被控量变化缓慢,不能尽快达到稳定值,这是由于PB过大或Ti过长引起的,但两者是有区别的：
PB过大,曲线漂浮较大,变化不规则,Ti过长,曲线带有振荡分量,接近给定值很缓慢.这样可根据曲线形状来改变PB或Ti.
③PB过小,Ti过短,Td太长都会导致振荡衰减得慢,甚至不衰减,其区别是PB过小,振荡周期较短；
Ti过短,振荡周期较长；
Td太长,振荡周期最短.
④如果在整定过程中出现等幅振荡,并且通过改变调节器参数而不能消除这一现象时,可能是阀门定位器调校不准,调节阀传动部分有间隙〔或调节阀尺寸过大〕或控制对象受到等幅波动的干扰等,都会使被控量出现等幅振荡.这时就不能只注意调节器参数的整定,而是要检查与调校其它仪表和环节.
〔2〕衰减曲线法
该方法是以4：
1衰减作为整定要求的,先切除调节器的积分和微分作用,用凑试法整定纯比例控制作用的比例度PB〔比同时凑试二个或三个参数要简单得多〕,使之符合4：
1衰减比例的要求,记下此时的比例度PBs和振荡周期Ts.如果加进积分和微分作用,可按相应的表格给出经验公式进行计算.若按这种方式整定的参数作适当的调整.对有些控制对象,控制过程进行较快,难以从记录曲线上找出衰减比.这时,只要被控量波动2次就能达到稳定状态,可近似认为是4：
1的衰减过程,其波动一次时间为Ts.
〔3〕临界比例度法
用临界比例度法整定调节器参数时,先要切除积分和微分作用,让控制系统以较大的比例度,在纯比例控制作用下运行,然后逐渐减小PB,每减小一次都要认真观察过程曲线,直到达到等幅振荡时,记下此时的比例度PBk<
称为临界比例度>
和波动周期Tk,然后按对应的表给出的经验公式求出调节器的参数值.按该表算出参数值后,要把比例度放在比计算值稍大一点的值上,把Ti和Td放在计算值上,进行现场观察,如果比例度可以减小,再将PB放在计算值上.这种方法简单,应用比较广泛.但对PBk很小的控制系统不适用.
〔4〕反应曲线法
前三种整定调节器参数的方法,都是在预先不知道控制对象特性的情况下进行的.如果知道控制对象的特性参数,即时间常数T、时间迟延ξ和放大系数K,则可按经验公式计算出调节器的参数.利用这种方法整定的结果可达到衰减率φ=0.75的要求.
3.3临界比例度法
在本设计中,我们组采用了临界比例度法来进行PID参数的整定,下面是用临界比例度法整定PID参数的过程
在simulink中设计简单的PID控制系统结构图如下：
图3-4
采用临界比例度法整定PID参数,先切除积分和微分作用,让控制系统以较大的比例度,在纯比例控制作用下运行,然后逐渐减小PB,直到达到等幅振荡时,记下此时的比例系数约为2.45<
和波动周期Tk约为32s,如下图：
图3-5
然后按对应的表给出的经验公式求出调节器的参数值.仅加入比例环节时,设P为1.225,系统阶跃响应图如下：
图3-6
由图知系统超调量较小,调节时间为120s左右,但是存在较大的稳态误差为0.3左右,由前面分析欲减小稳态误差需加入积分环节,设P为1.1,Ti为0.0375,此时系统阶跃响应图如下：
图3-7
由图知加入积分环节后系统的稳态误差大大减小,也验证了其消除误差的作用,但是调节时间加长到约为140s,同时超调量加大近38%,使用PID控制器：
图3-8
系统稳态误差基本为零,调节时间略有减小,但是超调量接近50%,远远达不到系统动态性能的要求.减小比例系数后发现系统超调量逐渐下降,但是响应速度逐渐减慢,调节时间增加,于是增大微分时间常数以加快响应速度,根据经验法逐步调整各参数,得基本满足系统动态性能的图形如下：
图3-9
此时系统各项指标基本令人满意,只是调节时间稍长,为80s左右.
采用临界比例度法得到的PID参数为：
Kp=1.47
Ki=0.0625
Kd=4
3.4PID参数的确定
该控制器采用的是临界比例系数法对PID参数进行初步整定,然后根据控制的效果,
升级会员 