单回路控制系统参数整定.docx
《单回路控制系统参数整定.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单回路控制系统参数整定.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
单回路控制系统参数整定
课程设计报告
（2015--2016年度第2学期）
名称：
过程控制系统
题目：
单回路控制系统参数整定
院系：
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
设计周数：
第十七周
成绩：
日期：
2016年6月23日
《过程控制系统》课程设计
任务书
一、目的与要求
1．掌握单回路控制系统整定方法；
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。
二、主要内容
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。
三、进度计划
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
一天
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。
五、考核方式
1．设计报告；
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
内容：
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。
实验步骤：
（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
PI
PID
2δcr
2.2δcr
1.7δcr
——
0.85Tcr
0.5Tcr
——
——
0.125Tcr
3）衰减曲线法
内容：
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。
实验步骤：
（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
δ
Ti
Td
ψ
规律
δ
Ti
Td
0.75
P
PI
PID
δs
1.2δs
0.8δs
——
0.5Ts
0.3Ts
——
——
0.1Ts
0.9
P
PI
PID
δs
1.2δs
0.8δs
——
2tr
0.8tr
——
——
0.4tr
4）响应曲线法
内容：
响应曲线法则是根据对象的阶跃响应曲线.求得对象的一组特征参数ε、τ（无自平衡能力的对象）或ε、ρ、τ（有自平衡能力的对象）.然后按公式计算调节器的整定参数。
2.采用临界比例带法.开发单回路控制系统PID参数整定程序。
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.
为比例系数.
为积分时间常数.
为微分时间常数。
2）
MATLAB编程实现
设被控对象的数学模型为
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;
调节Kp,直至出现等幅震荡。
G0=tf（1,[0.8,1.7,2,1]）;
P=3.25;
axis（[02501.5]）;%
figure;holdon
G=feedback（P*G0,1）;
step（G）
gridon;
记录此时δcr=1/3.25,Tcr=6.32-2.41=3.51s。
（3）根据δcr和Tcr,由计算公式求得控制器的各个参数。
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：
G0=tf（1,[0.8,1.7,2,1]）;
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）;
step（G）
gridon;
适当调整参数.δ=50%.Ti=2,Td=0.6s。
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
G0=tf（1,[0.8,1.7,2,1]）;
Kp=[2:
0.5:
4];Ti=2;Td=0.6;
figure;holdon
fori=1.9:
length（Kp）
Gc=tf（Kp（i）*[Ti*Td,Ti,1],[Ti,0]）;
G=feedback（G0*Gc,1）;
step（G）
end
gridon
（2）Ti取不同值时的阶跃响应
G0=tf（1,[0.8,1.7,2,1]）;
Kp=2;Ti=[1:
0.5:
3];Td=0.6;
t=0:
0.1:
20;
figure;holdon
fori=1:
length（Ti）
Gc=tf（Kp*[Ti（i）*Td,Ti（i）,1],[Ti（i）,0]）;
G=feedback（G0*Gc,1）;
step（G）
end
gridon
（3）Td取不同值时的阶跃响应
G0=tf（1,[0.8,1.7,2,1]）;
Kp=2;Ti=2;Td=[0.2:
0.2:
1.0];
t=0:
0.1:
20;
figure;holdon
fori=1:
length（Td）
Gc=tf（Kp*[Ti*Td（i）,Ti,1],[Ti,0]）;
G=feedback（G0*Gc,1）;
step（G）
end
gridon
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。
升级会员 