單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定

1、卑妹”*孑課程設(shè)計報告（2015- 2016 年度第2學(xué)期）稱:過程控制系統(tǒng)目:單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定系: 級:t=r.號:學(xué)生姓名: 指導(dǎo)教師:第十七周成 績:日期：2016年6月23日過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計任務(wù)書目的與要求1.掌握單回路控制系統(tǒng)整定方法;2.掌握PID參數(shù)對控制品質(zhì)影響規(guī)律;3.運用相應(yīng)軟件開發(fā)單回路控制系統(tǒng)整定程序。主要內(nèi)容1.學(xué)習(xí)基于被控對象模型的單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法;2.開發(fā)單回路控制系統(tǒng) PID參數(shù)整定程序;3.尋找不同PID參數(shù)對控制品質(zhì)影響規(guī)律。進度計劃序號設(shè)計內(nèi)容完成時間備注1學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法一天2開發(fā)、調(diào)試PID參數(shù)整定程序三天3總結(jié)并撰寫設(shè)計報

2、告一天四、設(shè)計成果要求1.闡明基于被控對象模型的單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法的基本原理;2.完整的、可運行的單回路控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定程序;3.驗證整定的PID參數(shù)下的控制效果，給出控制曲線圖，同時給出其它PID參數(shù)下的控制曲線圖，總結(jié)不同PID參數(shù)對控制品質(zhì)影響規(guī)律。五、考核方式1.設(shè)計報告;2.設(shè)計答辯。二、設(shè)計(實驗)正文1. 學(xué)習(xí)基于被控對象模型的單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法；1)經(jīng)驗法內(nèi)容：經(jīng)驗法實際是一種試湊法, 是在生產(chǎn)實踐中總結(jié)出來的參數(shù)整定法, 該法在現(xiàn)場中得到了廣泛的應(yīng)用。利用經(jīng)驗法對系統(tǒng)的參數(shù)進行整定時，首先根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行, 待系統(tǒng)穩(wěn)定后

3、作階躍擾動試驗, 觀察調(diào)節(jié)過程; 若調(diào)節(jié)過程不滿足要求，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程；反復(fù)上述試驗，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。實驗步驟：(1) 首先將調(diào)節(jié)器的積分時間 Ti 置最大,微分時間 Td 置最小,根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置比例帶5的數(shù)值, 完成后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行, 待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動試驗,觀察調(diào)節(jié)過程,若過渡過程有希望的衰減率則可，否則改變比例帶5的值，重復(fù)上述試驗，直到滿意為止;(2) 將調(diào)節(jié)器的積分時間 Ti 由最大調(diào)整到某一值， 由于積分作用的引入導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降, 因而應(yīng)將比例帶適當增大,一般為純比例作用的 1.2 倍。系統(tǒng)投入閉環(huán)運行,待系統(tǒng)穩(wěn)定后,作階躍擾動試

4、驗, 觀察調(diào)節(jié)過程,若過渡過程有希望的衰減率則可,否則改變積分時間 Ti 的值，重復(fù)上述試驗，直到滿意為止;(3) 將調(diào)節(jié)器的微分時間由小到大調(diào)整到某一數(shù)值，系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，修改微分時間重復(fù)試驗，直到滿意為止;2)臨界比例帶法內(nèi)容：臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法, 首先將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例調(diào)節(jié)器, 然后系統(tǒng)閉環(huán)投入運行， 將比例帶由大到小改變，觀察系統(tǒng)輸出，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。記下此狀態(tài)下的比例帶數(shù)值(即為臨界比例帶5k)和振蕩周期Tk,然后根據(jù)經(jīng)驗公式計算調(diào)節(jié)器的其它參數(shù)。實驗步驟：(1) 將調(diào)節(jié)器的積分時間Ti置于最大，微分時間Td置最小，即

5、Ti *, Td= 0 ;置比例帶5為一個較大的值;(2) 系統(tǒng)閉環(huán)投入運行,待系統(tǒng)穩(wěn)定后調(diào)整比例帶5的數(shù)值直到出現(xiàn)等幅振蕩。記錄并計算臨界狀態(tài)下臨界比例帶5cr和振蕩周期Ter,根據(jù)表2 1計算調(diào)節(jié)器的參數(shù);(3) 根據(jù)5 cr 和 Tcr, 由計算公式求得控制器的各個參數(shù)。(4) 將調(diào)節(jié)器按計算出的參數(shù)設(shè)置好, 系統(tǒng)閉環(huán)投入運行, 待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動試 驗,觀察系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程,適當修改參數(shù),直到滿意為止。臨界比例帶法計算公式:控制規(guī)律5TiTdP2 5 crPI2.2 5 cr0.85TcrPID1.7 5 cr0.5Tcr0.125Tcr3）衰減曲線法內(nèi)容:衰減曲線法是在臨界比例帶法

6、的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它既不象經(jīng)驗法那樣要經(jīng)過大量的試湊過程，也不象臨界比例帶法那樣要求系統(tǒng)產(chǎn)生臨界振蕩過程。它是利用比例作用下產(chǎn)生的4:1衰減振蕩（e= 0.75 ）過程時的調(diào)節(jié)器比例帶5 S及衰減周期Ts，或10:1衰減振蕩（e= 0.9 ）過程時的調(diào)節(jié)器比例帶5 S及過程上升時間tr，根據(jù)經(jīng)驗公式確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。實驗步驟:（1） 置調(diào)節(jié)器參數(shù) Ti ", Td= 0,比例帶5為一個較大的值，將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行;（2） 待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動試驗，觀察控制過程。若e大于要求的數(shù)值，則逐步減小比例帶5并重復(fù)試驗， 直到出現(xiàn) =0.75或= 0.9的控制過程為止， 并記下此時的比例根

7、據(jù)控制過程曲線求取=0.75衰減周期Ts或= 0.9時的上升時間tr ;計算調(diào)節(jié)器的參數(shù)5、Ti、Td。按計算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)，作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，適當修改調(diào)節(jié)參數(shù)，直到滿意為止。衰減曲線法計算公式:4）響應(yīng)曲線法內(nèi)容:響應(yīng)曲線法則是根據(jù)對象的階躍響應(yīng)曲線,求得對象的一組特征參數(shù)£、T (無自平衡能力的對象)或£、卩、T (有自平衡能力的對象)，然后按公式計算調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。2.采用臨界比例帶法，開發(fā)單回路控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定程序。1).PID控制原理常規(guī)PID控制系統(tǒng)主要由PID控制器和被控對象組成。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與

8、實際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差u(t)，對被控對象進行控制。e(t)，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量控制器的輸出和輸入之間的關(guān)系可描述為:U二上卜+丄邑(0十F耳蟲®式中，Kp為比例系數(shù),Ti為積分時間常數(shù)， Td為微分時間常數(shù)。2)MATLAB編程實現(xiàn)設(shè)被控對象的數(shù)學(xué)模型為G(s)0. 8S31. 7S22S反饋環(huán)節(jié)為單位負反饋。(1)置調(diào)節(jié)器參數(shù)Ti 78, Td= 0，比例帶5 k為一個較大的值，將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行;系統(tǒng)閉環(huán)投入運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后調(diào)整比例帶5k的數(shù)值直到出現(xiàn)等幅振蕩。記錄并計算臨界狀態(tài)下臨界比例帶5cr和振蕩周期Tcr。被控對象階躍響應(yīng):G0=t

9、f(1,0.8,1.7,2,1);G=feedback(G0,1);ste p(G) title('被控對象階躍響應(yīng)');grid on;0.7/ / .，-'111/ 、/r-_ 11 j111111111J1y被控對象階躍響應(yīng)0.60.50.40.30.20.1520251015Time (seconds)調(diào)節(jié)Kp,直至出現(xiàn)等幅震蕩。G0=tf(1,0.8,1.7,2,1);P=3.25;axis(0 25 0 1.5); %figure; hold onG=feedback( P*G0,1);ste p(G)grid on;1.50.5AA jf】、/1K1A 八

10、/ 11 1i:,111丿 I ,i1J:1'1I i i ! !1i1I 1 i I,i J.y!f . J【f1 i , < 1 7 I V 'n1r1 VStep Response5201015Time (seco nds)250記錄此時 5 cr=1/3.25,Tcr=6.32-2.41=3.51s。(3)根據(jù)5 cr和Ter,由計算公式求得控制器的各個參數(shù)。5 = 1.7 5 cr=52.3% , Ti=0.5Tcr=1.775s,Td=0.125Tcr=0.44s。(4)將調(diào)節(jié)器按計算出的參數(shù)設(shè)置好，系統(tǒng)閉環(huán)投入運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動試驗，觀察系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

11、過程，適當修改參數(shù)，直到滿意為止。整定后階躍響應(yīng)曲線:G0=tf(1,0.8,1.7,2,1);Kp=1.91;Ti=1.775;Td=0.44;Ge=tf(K p*Ti*Td,Ti,1,Ti,0);axis(0 25 0 1.5);figure; hold onG=feedback(Gc*G0,1);ste p(G)gridon;Step Response適當調(diào)整參數(shù)，5= 50%, Ti=2,Td=0.6s。1.4/,.-/111.J x-LIJ1f/i1111/iistep Response1.210.80.60.40.2241012146 8Time (seco nds)3). PID

12、 控制器參數(shù)對控制性能的影響(1)K取不同值時的階躍響應(yīng)G0=tf(1,0.8,1.7,2,1);Kp=2:0.5:4; Ti=2; Td=0.6;figure; hold onfor i=1.9:length(Kp)Gc=tf(Kp(i)*Ti*Td,Ti,1,Ti,0);G=feedback(G0*Gc,1);ste p(G)endgrid on1.41.2step ResponseeupmA0.80.60.40.2l'11 if1 ;1 1 / 11 : -' /1 . 1J-1;'/ll l' .1 :'1 一【I./-X/ /P-t亠1'

13、;bIh1- * /r-1111hITi取不同值時的階躍響應(yīng)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; hold onfor i=1:le ngth(Ti)681012141618Time (sec on ds)Gc=tf(K p*Ti(i)*Td,Ti(i),1,Ti(i),0);G=feedback(G0*Gc,1);ste p(G)endgrid on1.5H'1 k廠V 一、4 ./ 一、jr.1f1step Response520251015Time (sec on ds)Td取不同值時的階

14、躍響應(yīng)GO=tf(1,O.8,1.721);Kp=2; Ti=2; Td=0.2:0.2:1.0;t=0:0.1:20;figure; hold onfor i=1:le ngth(Td)Gc=tf(K p*Ti*Td(i),Ti,1,Ti,0);G=feedback(G0*Gc,1);ste p(G)endgrid on1.41Il A - sL 七 Jwl j I.1*_J > v亠-jb；VI1 :/ VAF一、1iStep Response1.210.80.60.40.25101520253035404550Time (sec on ds)三、課程設(shè)計總結(jié)或結(jié)論PID 控制器參數(shù)對控制性能的影響1) 比例系數(shù)比例系數(shù)加大， 偏差越小，但會引起被調(diào)量的來回波動， 造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。 比例系數(shù)越 小，可以使被調(diào)量變化平穩(wěn)甚至沒有超調(diào)，但穩(wěn)態(tài)偏差會很大，而且調(diào)節(jié)時間較長。2) 積分時間常數(shù)積分時間常數(shù)太小會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 增大系統(tǒng)的振蕩次數(shù)。 但是可以消除就靜態(tài)誤 差。3) 微分時間常數(shù)微分控制作用只對動