过程控制课程设计pid参数整定Word文件下载.docx
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上图为典型的PID控制系统结构图。
在PID调节器的作用下，对误差信号分别进行比例、微分、积分组合控制，调节器的输出作为被控对象的输入控制量。
PID控制算法的模拟表达式为：
相应的传递函数为：
式中Kp为比例系数；
Ti为积分时间常数；
Td为微分时间常数。
在传统的PID调节器中，确定KP、Ti、Td3个参数的值，是对系统进行控制的关键，因此，在控制最主要的问题是参数的整定问题，在PID参数进行整定时，若是理论方法确定PID参数当然是最为理想的，但实际应用中，更多的是通过试凑来确定PID的参数。
而利用matlab强大的仿真工具箱的功能，可以方便的解决整定的问题。
三、PID控制分析。
假设被控对象参数为
P控制作用分析。
设Td=0，Ti=
，Kp=3~4。
输入信号为阶跃函数，根据结构图，进行matlab程序仿真如下：
%P控制作用程序
运行M文件可得到如下图形：
比例积分控制作用分析
设Kp=3，讨论Ti=2~6时对系统阶跃响应曲线的影响
%比例积分控制作用程序
运行程序后得到下图：
比例积分微分控制作用分析
设Kp=3，Ti=4，讨论Td=~时对系统阶跃响应曲线的影响。
%比例积分微分作用程序
运行程序得下结果：
初步分析得到下列结论：
1、增大比例系数Kp将加快系统的响应，有利于减小静差，但是过大会使系统有较大的超调，使稳定性变坏，Kp取值过小，会使系统的动作缓慢。
2、增大积分时间常数Ti有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但系统静差消除时间变长，若Ti过小，系统的稳态误差将难以消除，导致系统不稳定。
3、增大微分时间Td有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但是Td不能过大，实际系统无法达到要求（上诉设计是理想的微分模型，所以如果实际的微分模型在Td过大时会使超调量增加，调节时间变长），若Td过小，同样超调量也增加，调节时间也较长。
四、Ziegler—Nichols整定方法。
在实际的过程控制系统中，如果数据时通过阶跃响应来获得的，且多数控制系统可以由公式G（s）=
来近似表示，我们可以由（表一）中给出的经验公式来设计PID控制器，如果数据是通过频域响应获得的，先画出其对应的Nyquist曲线，可以得到系统的剪切频率Wc和极限增益KC，同样，可以有（表一）给出的经验公式获得PID控制器的参数。
控制器类型
由阶跃响应整定
由频率响应整定
Kp
Ti
Td
P
T/K*
PI
K*
3*
PID
2*
/2
（表一）
（1）设想对被控对象（开环系统）施加一个阶跃信号，通过实验方法，测出其相应信号，如下图所示,则输出信号可由图中的形状近似确定参数K（静态放大系数），
（l）（滞后时间），和Tm（时间常数），获得上述参数后就可以根据表一得出控制器的参数。
图中L表示
，Tm表示T。
举例：
某个控制系统的对象参数为：
G（s）=
，求取其P、PI、PID控制的响应曲线。
Matlab程序如下：
K=1;
T=15;
tao=5;
num0=1;
den0=[151];
[num1,den1]=pade（tao,3）;
%生成纯延迟环节的3阶近似传递函数模型
num=conv（num0,num1）;
den=conv（den0,den1）;
G=tf（num,den）;
%生成开环传递函数
s=tf（'
s'
）;
%定义拉普拉斯变量因子
%P控制其设计
PKp=T/（K*tao）;
GK1=PKp*G;
sys1=feedback（GK1,1,-1）;
step（sys1,'
k'
）%求p控制作用下系统单位阶跃响应，线形为黑色连线
gtext（'
P'
）
pause
holdon
%PI控制器设计
PIKp=*T/（K*tao）;
PITi=3*tao;
Gc2=PIKp*（1+1/（PITi*s））;
GK2=Gc2*G;
sys2=feedback（GK2,1,-1）;
step（sys2,'
b--'
）%求PI控制作用下系统单位阶跃响应，形为蓝色虚线
PI'
%PID控制器设计
PIDKp=*T/（K*tao）;
PIDTi=2*tao;
PIDTd=*tao;
Gc3=PIKp*（1+1/（PITi*s）+PIDTd*s）;
GK3=Gc3*G;
sys3=feedback（GK3,1,-1）;
step（sys3,'
r-'
）%求PID控制作用下系统单位阶跃响应，线形为红色实线
title（'
P,PI,PID控制单位阶跃响应'
xlabel（'
时间'
ylabel（'
幅值'
）,grid,gtext（'
PID'
得到如下图形：
结论：
通过图形，我们可以清楚的看出，采用PID控制可以快速、准确、稳定的对输入的阶跃信号进行控制。
所以通过Ziegler—Nichols整定方法我们可以得到较好的控制曲线，符合课设要求。
五、通过matlab中的simulink来进行系统的参数整定。
利用simulink进行参数整定更加的有效，而且方便快速。
首先进行PID控制器的设计。
（1）通过模块的拖拽构成典型的PID控制器。
如下所示
（2）然后进行封装子系统，单击simulink的library窗口中的【Edit】>
【CreatSubsystem】，便产生了子系统。
如下图所示。
（3）进行封装。
（4）PID控制器子系统构成，可以对其进行操作。
对G（S）=
对象进行参数整定。
按照单回路系统方框图，我们可以再simulink中绘制出相应的闭环回路图形，如下图所示。
我们通过“临界比例带法”对其进行参数整定。
（1）设TI和TD都为零，调节KP使其产生等幅振荡。
当取比例系数为10时得到等幅振荡。
如下图：
（2）根据图形可以得到比例带
和系统的临界振荡周期T。
根据（表二）可以得到相应的PID参数。
控制规律
2
—
（表二）
（3）由上表可知P控制时，Kp=5，将“Kp”的值设置为5后，仿真运行双击“Scope”得到下图：
根据图形我们可以清楚的看到P控制的特点：
1、动作快。
2、有差控制。
（4）由（表二）可知，PI控制时，比例系数为Kp=，积分时间常数Ti=，运行仿真后得到如下图形：
同样我们可以看到PI控制的特点，既在消除了静态误差的同时，增加了调节时间，所以是在改善静态品质的同时却恶化了动态品质，使过度过程的振荡加剧，甚至造成系统不稳定。
（5）由表二可知，PID控制时，Kp=，Ti=1，Td=，运行仿真得到下图：
根据上图中的数据，初步估算出衰减比为8：
1，符合参数整定的稳定、准确、快速的要求，基本达到了工程控制需求。
参考文献：
MATLABR2008控制系统动态仿真谢仕宏编化学工业出版社
过程控制系统的matlab仿真刘文定、王东林编着机械工业出版社
控制系统计算机辅助设计—matlab语言与应用薛定宇清华大学出版社
辅助控制系统设计与仿真飞思科技产品研发中心电子工业出版社
火电厂热工自动控制技术及应用刘禾、白焰、李新利中国电力出版社
过程控制工程及仿真（基于matlab/simulink）郭阳宽、王正林电子工业出版社
总结：
通过这此课程设计,我学会了如果进行控制系统的单回路参数整定,如何设计控制器来满足要求,我还掌握了matlab软件在工程上的应用,尤其是在控制领域的应用,学会了利用matlab中的simulink软件来模拟仿真控制系统。
这次课程设计不仅使我对课堂所学的知识有了更加深入的了解,而且还将书本上的知识在工程上加以应用,使我对过程控制这门课有了一个更加全面的认识.
此次设计利用了Ziegler—Nichols的整定方法和临界比例带法，能够对一些控制对象进行基本的PID整定。
但是此次设计只能是较为基础的整定，不能达到更加“界面化”的程度，根据了解和学习，还可以使用matlab中的GUIDE来编写GUI交互界面，这样可以使整个参数整定过程更加的容易、清晰，达到整个过程“界面化”的程度。
由于时间问题，所以不能够进行更加深入的学习。
这也是此次课程设计的不足之处。
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