单回路自动调节系统的整定.docx

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单回路自动调节系统的整定

实验三单回路自动调节系统的整定

一、实验目的

a）熟悉单回路调节系统的整定方法；

b）了解调节器参数对调节过程的影响。

二、实验内容

对下列调节系统进行仿真，先根据调节对象估算出调节器各参数（δ、Ti、Td）的值，再观察各参数值的变化对调节过程的影响。

调节对象的参数可自行选取，例如可选T0=10，n=4或5。

进行仿真实验，当需要显示多条仿真曲线时可采用如下所示的仿真框图：

其中，PID模块可以从SimulinkExtras|AdditionalLinear图形子库中提取。

该模块传递函数

或者我们自己可以构建这个功能模块，如下所示：

单回路调节系统的整定方法主要有临界比例带法、图表整定法和衰减曲线法等，下面介绍其中两种，可任选其中一种方法进行实验。

1．临界比例带法

临界比例带法是在纯比例作用下将系统投入闭环运行，不断改变比例带δ的数值使调节系统产生等幅振荡，并记录对应的临界比例带δc和临界振荡周期Tc。

然后根据δc和Tc得到系统所希望的衰减率时的其它整定参数。

具体整定步骤如下：

（1）设置调节器整定参数Ti→∞，Td=0，δ置于较大的数值后，将系统投入闭环运行。

（2）系统运行稳定后，适量减小比例带的数值并施加阶跃扰动，观察被调量的变化，直到出现等幅振荡为止。

记录此时的临界比例带δc和临界振荡周期Tc。

（3）根据临界比例带δc和临界振荡周期Tc，调节器中的整定参数可按下式计算：

（i）P调节器：

δ＝2δc；

（ii）PI调节器：

δ＝2.2δc，Ti＝0.85Tc；

（iii）PID调节器：

δ＝1.67δc，Ti＝0.5Tc；Td＝0.25Ti。

所列的计算公式是按衰减率ψ=0.75时为依据的。

根据调节系统采用不同的调节器类型，选用不同的计算公式，求出整定参数。

（4）将计算出的各整定参数值设置到调节器中，对系统作阶跃扰动试验，观察被调量的阶跃响应，适当修改各整定参数，直到满意为止。

2．图表整定法

图表整定法是通过被调对象阶跃响应曲线的特征参数，经查图表求取调节器各整定参数的。

它适用于典型的多容热工被调对象，图表见附表1和附表2。

采用图表整定法首先对被调对象作阶跃扰动试验，记录阶跃响应曲线，求取阶跃响应曲线上的特征参数：

自平衡率ρ、飞升速度ε、迟延时间τ和时间常数Tc,然后通过附表1或附表2的计算公式计算调节器的各整定参数。

表中的计算公式是依据衰减率ψ=0.75制定的，若需要得到其它衰减率数值，计算公式要进行修正。

表中的计算公式适用于阶数较高的被调对象，对于一阶和二阶的被调对象，计算得到整定参数投入运行后将具有较大的衰减率（ψ＞0.75）。

三、实验结果

（1）根据整定法求得

P调节器：

δ=0.5

PI调节器：

δ=0.55；Ti=82.45

PID调节器：

δ=0.4175；Ti=48.5Td=12.125

利用计算得到的调节器参数进行仿真

仿真曲线（P、PI、PID对应的三条曲线）：

性能指标：

P调节器：

衰减率ψ=（M1-M3）/M1=（0.971-0.762）/（0.971-0.667）=0.685

超调量Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=（0.971-0.667）/0.667=0.456

动态偏差Emax=0.971-1=-0.029

静态偏差E∝=0.667-1=0.333

峰值时间tp=65s,调节时间ts=257s

PI调节器：

衰减率ψ=（M1-M3）/M1=（1.261-1.084）/（1.26-1）=0.677

超调量Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=（1.261-1）/1=0.261

动态偏差Emax=1.261-1=-0.261

静态偏差E∝=1-1=0

峰值时间tp=82s,调节时间ts=285s

PID调节器：

衰减率ψ=（M1-M3）/M1=（1.352-1.072）/（1.352-1）=0.795

超调量Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=（1.352-1）/1=0.352

动态偏差Emax=1.352-1=0.352

静态偏差E∝=1-1=1

峰值时间tp=79s,调节时间ts=210s

（2）改变PID调节器参数进行仿真

（i）保持Ti、Td不变，改变δ：

1/Δ=2,1/δ=2.4,1/δ=4

仿真曲线（至少三条）：

（ii）保持δ、Td不变，改变Ti：

1/Ti1=2;1/Ti2=2.4;1/Ti3=4

仿真曲线（至少三条）：

（iv）保持δ、Ti不变，改变Td：

Td1=5,Td2=12.125,Td3=25

仿真曲线（至少三条）：

四、实验小结

P调节器：

从调节过程中可知，δ增大，会使衰减加快，振荡减弱，但是静态偏差会加大，调节作用变小。

所以，应在保证系统的稳定下选择适当的衰减率。

PI调节器：

从调节中可以发现，无论怎么调节，系统的静态偏差都为0。

当积分时间减小，消除静态偏差的能力就越强，积分时间变大，会使振荡加剧，衰减率下降。

PID调节器：

通过微调，可以改变动态品质，使衰减率增加。

从这次试验，我对P、PI、PID调节器的特性有了更加的理解。

这也解决了我在自动调节学习中的很多疑点，以后要更加深入的学习此软件。

实验四三冲量双回路汽包给水调节系统的整定

一、实验目的

1．学会复杂系统的分析整定；

2．熟悉汽包给水自动调节系统整定的步骤；

3．了解PI调节器参数及分流系数对调节过程的影响。

二、实验内容

汽包给水三冲量自动调节系统方框图，如下所示。

图中，H、D、W分别为汽包水位、蒸汽流量和给水流量；Go1（s）、Go2（s）分别为给水流量和蒸汽流量对汽包水位的传递函数：

，

；

γD、γW、γH分别为蒸汽流量D、给水流量W和汽包水位H测量变送器的传递系数，γD＝γW＝0.083，γH＝0.033；αD、αW分别为蒸汽流量和给水流量的分流系数，αD＝αW＝0.21；KZ、Ku分别为执行机构和阀门的特性系数，KZ＝10，Ku＝2。

要求分别对三冲量汽包给水自动调节系统的内外回路进行整定，并进行计算机仿真。

系统中存在内、外两个闭合回路。

内回路是由给水流量信号W局部反馈构成，外回路是由汽包水位信号H反馈到系统调节器输入端构成的。

蒸汽流量信号D只是引入的前馈信号，在系统中该信号并没有形成闭合回路，前馈调节不会影响系统的稳定性，在整定调节系统时，只需要对两个闭合回路进行稳定性的分析。

整定的具体步骤如下：

1．内回路的整定

内回路方框图如下所示。

内回路系统的闭环传递函数为

在内回路中有三个可以改变的参数：

比例带δ、积分时间Ti和给水流量侧的分流系数αw，可以把αw归纳到调节器中构成一个等效调节器，等效调节器的传递函数为

等效调节器的等效比例带为

在整定内回路时，先对αw任意选取一个数值（如：

αw=1），然后通过试验来改变δ和Ti的值，一般取Ti为5-10秒，再调整δ值直到满意为止，即把内回路整定为一个能迅速消除自发性内部扰动的快速随动系统。

整定得到的结果是Ti数值和δ/αw的比值，整定时αw只是一个任意选取的值，在整定外回路时αw是一个唯一的整定参数，一旦αw有了确定的数值后，δ也要随之改变，以保证δ/αw比值不变（即：

内回路特性不因为αw的改变而改变）。

2．外回路的整定

调节器参数可以设置得较小，使内回路成为快速随动系统，即：

或

。

去除不影响调节系统稳定性的前馈信号通道，可得到外回路系统方框图，如下所示。

外回路已可以看作是一个单回路调节系统，可采用整定单回路调节系统的方法来整定外回路。

内回路在外回路中相当于处在调节器的位置，因此，外回路调节器的传递函数为：

外回路的调节器实际上是一个比例调节器,它的等效比例带为

因为

是一个确定的常数，所以外回路的稳定性及其它性能完全由

来决定。

整定外回路时，可采用工程整定法来整定参数，得到

值。

如果利用图表法整定，首先通过试验获得广义被调对象的阶跃响应曲线（广义被调对象的输入信号为给水流量W，输出信号是水位侧差压变送器的输出值）。

求得ε和τ的数值，查图表求取整定参数。

可求出

根据外回路整定得到的

值，可求出调节系统比例积分调节器中的比例带δ值。

3．蒸汽流量侧

的选择

要使静态偏差为零，静态时必须满足ID=IW，即：

在正常运行时，可认为D=W，γD=γW，则有

αD=αW

因此，为了克服静态偏差，蒸汽流量侧分流器的分流系数αD必须等于给水流量侧分流器的分流系数αW。

三、实验结果

1、内回路：

（1）整定得：

Ti＝6δ/αw=0.015

（2）仿真曲线：

2、外回路：

（1）整定得：

αw=0.3δ=20αD=0.3

（2）仿真曲线：

（3）性能指标：

衰减率ψ=（M1-M3）/M1=（37-31）/（37-30）=0.857

超调量Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=（37-31）/30=0.2

动态偏差Emax=37-1=36

静态偏差E∝=30-1=29

峰值时间tp=83s,调节时间ts=215s

3、整个回路的系统整定和微调

（1）W为输入信号，仿真曲线如下

性能指标：

衰减率ψ=（M1-M3）/M1=（10.5-0.7）/（10.5-0）=0.93

动态偏差Emax=10.5-1=9.5

静态偏差E∝=0-1=-1

峰值时间tp=46s,调节时间ts=249s

H为输入信号，仿真曲线如下

性能指标

衰减率ψ=（M1-M3）/M1=（37-31）/（37-30）=0.857

超调量Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=（37-31）/30=0.2

动态偏差Emax=37-1=36

静态偏差E∝=30-1=29

峰值时间tp=90s,调节时间ts=200s

D为输入信号，仿真曲线如下

性能指标

衰减率ψ=（M1-M3）/M1=（1.8-0.2）/（1.8-0）=0.889

动态偏差Emax=1.8-1=0.8

静态偏差E∝=0-1=-1

峰值时间tp=37s,调节时间ts=207s

四、实验小结

从试验过程中，多次调节参数δ、αw、T，其数值的变动不影响系统的稳定性，只影响速度，在保证系统的稳定时，内回路越快越好。

D的调节起前馈的作用，动态偏差小，就是防止虚假水位。

而W的调节时的衰减率大，用于克服内扰，实现粗调。

从这次试验我更加了解到这软件对电厂自动调节的重要性，要好好学习，努力掌握此软件的操作技术，为以后的工作打下好的基础。