计算机控制技术试验连续系统PID参数整定.docx

1、计算机控制技术试验连续系统PID参数整定计算机控制技术课程试验报告 班级 测控092班 姓名 焦晓光 学号0910340206（2学时）实验一 连续系统PID控制器设计及其参数整定一、实验目的（1） 掌握PID控制规律及控制器实现。（2） 对给定系统合理地设计PID控制器。（3） 掌握对给定控制系统进行PID控制器参数在线实验工程整定的方法。二、实验原理在串联校正中，比例控制可提高系统开环增益，减小系统稳态误差，提高系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成系统闭环系统不稳定；积分控制可以提高系统的型别（无差度），有利于提高系统稳态性能，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点。使信

2、号产生90的相位滞后，于系统的稳定不利，故不宜采用单一的积分控制器；微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性，但微分控制增加了一个-1/的开环零点，使系统的相角裕度提高，因此有助于系统稳态性能的改善。在串联校正中，PI控制器增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。位于原点的开环极点可以提高系统的型别（无差度），减小稳态误差，有利于提高系统稳态性能；负的开环零点可以减小系统的阻尼，缓和PI极点对系统产生的不利影响。只要积分时间常数Ti足够大，PI控制器对系统的不利影响可大为减小。PI控制器主要用来改善

3、控制系统的稳态性能。在串联校正中，PID控制器增加了一个位于原点的开环极点，和两个位于s左半平面的开环零点。除了具有PI控制器的优点外，还多了一个负实零点，动态性能比PI更具有优越性。通常应使积分发生在低频段，以提高系统的稳态性能，而使微分发生在中频段，以改善系统的动态性能。PID控制器传递函数为，注意工程PID控制器仪表中比例参数整定常用比例度.三、实验内容（1）Ziegler-Nichols反应曲线法反应曲线法适用于对象传递函数可以近似为的场合。先测出系统处于开环状态下的对象动态特性(即先输入阶跃信号，测得控制对象输出的阶跃响应曲线)，如图1所示，然后根据动态特性估算出对象特性参数，控制对

4、象的增益K、等效滞后时间L和等效时间常数T，然后根据表1中的经验值选取控制器参数。图1 控制对象开环动态特性表1反应曲线法PID控制器参数整定控制器类型比例度%比例系数Kp积分时间Ti微分时间TdPKL/TT/KL0PI1.1KL/T0.9T/KLL/0.30PID0.85KL/T1.2T/KL2L0.5L【例1】已知控制对象的传递函数模型为: 试设计PID控制器校正，并用反应曲线法整定PID控制器的Kp、Ti和Td，绘制系统校正后的单位阶跃响应曲线，记录动态性能指标。【解】 1）求取被控制对象的动态特性参数K、L、T。num=10;den=conv(1,1,conv(1,3,1,5);G=t

5、f(num,den);step(G);k=dcgain(G)图2控制对象开环阶跃响应曲线程序运行后，得到对象的增益K=0.6667，阶跃响应曲线如图2所示，在曲线的拐点处作切线后，得到对象待定参数；等效滞后时间L=0.293s，等效时间常数T=2.24-0.293=1.947s。2） 反应曲线法PID参数整定num=10;den=conv(1,1,conv(1,3,1,5);k=0.6667;L=0.293;T=1.947;G=tf(num,den);Kp=1.2*T/(k*L);Ti=2*L;Td=0.5*L;Kp,Ti,Td,s=tf(s);Gc=Kp*(1+1/(Ti*s)+Td*s);

6、GcG=feedback(Gc*G,1);step(GcG)运行程序，观察结果并讨论结果，讨论结果填写至空白处。1、稳定性：两种方法均趋于稳定；2、误差：第一种静态误差较大，大约为0.3，而第二种没有静态误差； 3、快速性：第二种的响应速度要比第一种快；4、调整时间：第二种的调整时间较长，第一种比第二种较快达到稳定状态。【例2】已知工程控制系统的被控广义对象为一个带延迟的惯性环节，其传递函数为：G0（s）=试分别用P、PI、PID三种控制器校正系统，并分别整定参数，比较三种控制器作用效果。【解】 1）根据反应曲线法整定参数由传递函数可知系统的特性参数：K=8，T=360s，L=180s，可得：

7、P 控制器 ： Kp=0.25PI控制器 ： Kp=0.225，Ti=594sPID控制器： Kp=0.3，Ti=360s，Td=90s。2） 作出校正后系统的单位阶跃响应曲线，比较三种控制器作用效果。因为对于具有时滞对象的系统，不能采用feedback和step等函数进行反馈连接来组成闭环系统和计算闭环系统阶跃响应，因此采用simulink软件仿真得出单位响应曲线，系统结构图如图6-28所示。由于本系统滞后时间较长，故仿真时间设置为3000s，三种控制器分别校正后系统的单位阶跃响应曲线如图6-29所示。图3 系统Simulink结构图测量其动态性能指标。分析结果并讨论。1、PID控制2、PI

8、控制3、P控制三种控制对比：结论：三种控制器相比， 1、在快速性上：PID较快响应； 2、PID、PI控制没有静态误差，而P控制有静态误差； （2） Ziegler-Niehols临界比例度法临界比例度法适用于已知对象传递函数的场合，用系统的等幅振荡曲线来整定控制器的参数。先使系统（闭环）只受纯比例作用，将积分时间调到最大，微分时间调到最小（Td=0），而将比例增益K的值调到较小值，然后逐渐增大K值，直到系统出现等幅振荡的临界稳定状态，此时比例增益的K作为临界比例，等幅振荡周期为临界周期，临界比例度为k=x100%。根据表2中的经验值课整定PID控制器的参数。表2临界比例度法PID控制器参数整

9、定控制器类型KpTiTdP0.5Km0PI0.45KmTm/120PID0.6Km0.5Tm0.125Tm【范例6-9】 已知被控对象传递函数为，试用临界比例度法整定PID控制器参数，绘制系统的单位响应曲线，并与反应曲线法比较。【解】1）先求出控制对象的等幅振荡曲线，确定和。k=10;z=;p=-1,-3,-5;Go=zpk(z,p,k);G=tf(Go);for Km=0:0.1:10000Gc=Km;syso=feedback(Gc*G,1);p=roots(syso.den1);pr=real(p);prm=max(pr);pro=find(prm=-0.001);n=length(pr

10、o);if n=1breakend;endstep(syso,0:0.001:3); 图3控制系统等副振荡曲线程序运行后可得Km=19.2，临界稳定状态的等幅振荡曲线如图3所示。从图中测得两峰值之间的间隔周期即为临界周期=2.07-0.757=1.313s2）整定、，并分析结果。k=10;z=;p=-1,-3,-5;Go=zpk(z,p,k);G=tf(Go);Km=19.2;Tm=1.313;Kp=0.6*Km;Ti=0.5*Tm;Td=0.125*Tm;Kp,Ti,Td,s=tf(s);Gc=Kp*(1+1/(Ti*s)+Td*s);sys=feedback(Gc*G,1);step(sys)理解并运行程序，讨论结果。 PID整定： 结论：经比较，PID控制要比其他两种稳定，快速性较好且没有静态误差。讨论如下问题：1）比较P、PI和PID三种控制器对系统的校正效果，总结它们的优缺点及应用场合。P控制的调整时间要小于PID及PI控制，不过有一定的静态误差；PI控制没有静态误差，但快速性较差；PID控制是三种控制中最理想的控制，它响应速度较快，稳定性较好。P控制器主要应用于减少静态误差的场合；PID、PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。2）如何动态地改进PID参数的整定？