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。
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