单回路控制系统参数整定文档格式.docx
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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。
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。
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。
2.设计答辩。
二、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1.2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
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。
(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
2δcr
PI
2.2δcr
0.85Tcr
PID
1.7δcr
0.5Tcr
0.125Tcr
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=0.75)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=0.9)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=0.75或ψ=0.9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=0.75衰减周期Ts或ψ=0.9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
0.75
1.2δs
0.5Ts
0.
1.2δ
2tr
0.8δs
0.3Ts
0.1Ts
9
s
0.8tr
0.4tr
0.8δ
4)响应曲线法
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,KP为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数。
2)MATLAB编程实现
1设被控对象的数学模型为G0(s)
00.8S31.7S22S1
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,[0.8,1.7,2,1]);
G=feedback(G0,1);
step(G)
title('
被控对象阶跃响应'
);
gridon;
0.7
被控对象阶跃响应
调节Kp,直至出现等幅震荡。
P=3.25;
axis([02501.5]);
%figure;
holdonG=feedback(P*G0,1);
step(G)gridon;
StepResponse
Time(seconds)
记录此时δcr=1/3.25,Tcr=6.32-2.41=3.51s。
δ=1.7δcr=52.3%,Ti=0.5Tcr=1.775s,Td=0.125Tcr=0.44s。
(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=1.91;
Ti=1.775;
Td=0.44;
Gc=tf(Kp*[Ti*Td,Ti,1],[Ti,0]);
axis([02501.5]);
%
figure;
holdon
G=feedback(Gc*G0,1);
p
1.4
1.2
0.8
0.6
0.4
0.2
10
15
20
25
适当调整参数,δ=50%,Ti=2,Td=0.6s
002468
101214
edutilpm
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:
0.5:
4];
Ti=2;
Td=0.6;
figure;
holdonfori=1.9:
length(Kp)
Gc=tf(Kp(i)*[Ti*Td,Ti,1],[Ti,0]);
G=feedback(G0*Gc,1);
end
gridon
(2)Ti取不同值时的阶跃响应
Kp=2;
Ti=[1:
3];
t=0:
0.1:
20;
fori=1:
length(Ti)
Gc=tf(Kp*[Ti(i)*Td,Ti(i),1],[Ti(i),0]);
1.5
0.5
(3)Td取不同值时的阶跃响应
Td=[0.2:
0.2:
1.0];
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。