实验一 简单控制系统仿真 葛瀚辰 2596.docx
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实验一简单控制系统仿真葛瀚辰2596
简单控制系统PID控制仿真：
要求：
参考教材207页6-20题，设广义被控对象传递函数为
，其中
、
。
（1）试用响应曲线法求PI和PID控制器的参数，并采用matlab仿真，说明上述参数下的单回路控制响应曲线超调量、调整时间、最大动态偏差、衰减比分别是多少。
（2）试用临界比例度法整定PI和PID参数，方法：
采用matlab仿真，求临界状态下的比例度和振荡周期，然后求取PI和PID参数，并进行仿真，对比该方法下控制器参数超调量、调整时间、最大动态偏差、衰减比与
（1）中的响应曲线法之差别。
注：
（1）和
（2）的PID采用理想微分控制算法。
（3）在上述的PID参数基础上，整定自己认为最理想的PID参数，并说明整定方法和依据。
注：
本部分采用实际微分算法实现PID控制，微分部分为
，其中
，整定
参数。
（无需PI控制）。
请提交完整的仿真实验报告，其中仿真报告撰写格式要求和思考题见下页，实验步骤、记录、结果分析、思考题、心得体会等项请独立完成。
过程控制系统设计
仿真实验报告
实验名称：
单回路控制系统PID控制器仿真实验
姓名：
葛瀚辰
学号：
20102596
班级：
2010153班
一、实验目的
1.熟悉简单控制系统响应曲线法和临界比例度法整定PID参数过程。
2.掌握采用Matlab仿真工具进行PID参数整定的方法和过程。
3.掌握PID控制器中不同参数对控制系统性能的影响。
二、实验步骤
1.响应曲线法：
根据响应曲线法公式求出PI和PID控制器的参数。
采用MATLAB仿真测出单回路控制系统超调量、调整时间、最大动态偏差、衰减比的值。
2.临界比例度法：
首先取Ti=∞，Td=0即仅加入比例控制环节，调整比例度P值，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数Pm和临界振荡周期Tm。
根据所记录的Pm和Tm，按照给定的经验公式计算调节器的整定参数，并按计算结果设置调节器参数。
采用MATLAB仿真测出单回路控制系统超调量、调整时间、最大动态偏差、衰减比的值。
3.对比前两种方法的仿真结果，并在上述的PID参数基础上，先令Td=0，再根据比例环节、积分环节和实际微分对性能指标的影响，进行参数整定：
适当减小P和Ti的值，均将减小最大动态偏差，增大衰减比。
三、实验记录
1.响应曲线法：
已知
=3,T0=6,K0=8
表1
P（%）
Ti（s）
Td（s）
PI
4.4
9.9
/
PID
3.4
6
1.5
图1响应曲线法：
PI的Simulink建模
图2响应曲线法：
PI的Simulink仿真
图3响应曲线法：
PID的Simulink建模
图4响应曲线法：
PID的Simulink仿真
表2
超调量
调整时间
最大动态偏差
衰减比
PI
18.5%
35
0.189
250:
1
PID
28.5%
25
0.285
1.5:
1
2.临界比例度法：
当Ti=∞，Td=0时，取K=0.48达到临界振荡过程，记录此时的
Pm=1/K=2.08,Tm=10.3。
表3
P（%）
Ti（s）
Td（s）
PI
4.576
8.755
/
PID
3.536
5.15
1.2875
图5临界比例度法
图6临界振荡曲线
图7临界比例度法：
PI的Simulink建模
图8临界比例度法：
PI的Simulink仿真
图9临界比例度法：
PID的Simulink建模
图10临界比例度法：
PID的Simulink仿真
表4
超调量
调整时间
最大动态偏差
衰减比
PI
19%
24.5
0.19
∞
PID
36%
20
0.36
3.1:
1
3.实际微分调节法：
Td取0.12s，经过整定获得理想的PID参数：
Ti=6s，P=8（%）。
图11实际微分调节法：
PID的Simulink建模
图12实际微分调节法：
PID的Simulink仿真
表5
超调量
调整时间
最大动态偏差
衰减比
PID
2%
20
0.02
∞
四、结果分析
比较两种参数整定方法：
运用响应曲线法会获得更小的超调量（最大动态偏差），而临界比例度法会有更短的调整时间；PI调节相对于PID调节，对最大动态偏差和衰减比有更好的影响，而加入微分环节改善动态品质，即PID调节缩短了调整时间。
五、思考题
1.响应曲线法整定的PI参数和PID参数中比例带、积分时间有何变化，为什么。
答：
从PI到PID比例带需要减小，积分时间也需要减小。
因为微分的作用是改善动态特性即减小超调量，减小积分能消除稳态误差，准确跟踪设定值；减小比例度即比例作用增强可以加快反应速度。
2.临界比例度法适用于何种场合的PID参数整定，在什么情况下不适合。
答：
不适用于控制通道时间常数很大的场合，由于控制系统的临界比例度很小，调节阀很易游移于全开或全开位置，即处于位式控制状态，对生产过程不利。
工艺约束条件严格，不允许生产过程被控参数作较长时间的等幅振荡，这种情况也不能用此法。
3.在PID中采用实际微分和理想微分对控制曲线效果有何影响，为什么。
实际系统中一般应采用哪种微分控制算法。
答：
理想微分效果更好。
实际系统中一般采用实际微分，因为理想微分难以实现。
4.根据自己的学习和领会，归纳实际生产过程中如何整定PID参数，注意些什么。
答：
工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定。
整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。
（1）整定比例控制
将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
（2）整定积分环节
若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。
先将步骤
（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。
然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。
（3）整定微分环节
若经过步骤
（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。
先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
首先研究生产过程，挑选好方法，再根据曲线的具体情况，判断应该调整哪部分的参数，调整后再进行比较判断。
六、心得体会
通过本次控制系统PID控制仿真实验，熟悉了简单控制系统响应曲线法和临界比例度法整定PID参数过程。
掌握了采用Matlab仿真工具进行PID参数整定的方法和过程以及PID控制器中不同参数对控制系统性能的影响。
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