單回路控制系統(tǒng)整定

1、 單回路控制系統(tǒng)整定 一、實驗目的（1） 掌握動態(tài)建模的創(chuàng)建方法。（2） 掌握單回路控制系統(tǒng)的理論整定方法和工程整定方法。（3） 了解調(diào)節(jié)器參數(shù)對控制品質(zhì)的影響。（4） .熟悉控制線性系統(tǒng)仿真常用基本模塊的用法二、實驗儀器計算機一臺、MATLAB軟件三、實驗內(nèi)容： 用SIMULINK建立被控對象的傳遞函數(shù)為，系統(tǒng)輸入為單位階躍，采用PID控制器進行閉環(huán)調(diào)節(jié)。練習模塊、連線的操作，并將仿真時間定為300 秒，其余用缺省值；試用穩(wěn)定邊界法和衰減曲線法設置出合適的PID參數(shù)，得出滿意的響應曲線。設計M文件在一個窗口中繪制出系統(tǒng)輸入和輸出的曲線，并加圖解。四、實驗原理 . PID（比例-積分-微分）控

2、制器是目前在實際工程中應用最為廣泛的一種控制策略。PID算法簡單實用，不要求受控對象的精確數(shù)學模型。模擬PID控制器典型的PID控制結(jié)構(gòu)如圖所示。比 例積 分微 分對象模型PID控制器r(t)y(t)u(t)e(t). PID控制規(guī)律寫成傳遞函數(shù)的形式為 式中，為比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)；簡單來說，PID控制各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強。（3）微分環(huán)

3、節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。五、實驗步驟（1）啟動計算機，運行MATLAB應用程序。（2）在MATLAB命令窗口輸入Smulink,啟動Simulink。（3）在Simulink庫瀏覽窗口中，單擊工具欄中的新建窗口快捷按鈕或在Simulink庫窗口中選擇菜單命令FileNewModeel,打開一個標題為“Untitled”的空白模型編輯窗口。（4）用鼠標雙擊信號源模塊庫（Source）圖標，打開信號源模塊庫，將光標移動到階躍信號模塊（Step）的圖標上，按住鼠標左鍵，將其拖放到空白

4、模型編輯窗口中。用鼠標雙擊附加模塊庫（Simulink Extra）圖標，打開Additional Liner模塊庫，將光標移動到PID Conttroller圖標上，按住鼠標左鍵，將其拖放到空白模型編輯窗口中。（5用同樣的方法從數(shù)學運算模塊庫(Math Operations)、連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(Continuous)和接受模塊庫(Sinks)中，中把傳遞函數(shù)模塊(Transfer Fcn)、示波器模塊(Scope)和加法器模塊（）Sum）拖放到空白模型編輯窗口中。（6）用鼠標單擊一個模塊的輸出端口并用鼠標拖放到另一模塊的輸入端口，完成模塊間的連接，若需要畫支線時，把光標移到有向線段任意點處，按

5、下“Ctrl”鍵同時按下鼠標左鍵，拖動鼠標到所需模塊。（7）構(gòu)造圖1所示的單回路反饋系統(tǒng)的仿真模型，其中控制對象由子系統(tǒng)創(chuàng)建，如圖2 圖1 圖2示，創(chuàng)建子系統(tǒng)的方法是：用鼠標選定待構(gòu)成子系統(tǒng)的各個模塊，包括它們之間的連接線，單擊鼠標右鍵再單擊Create Subsystem即可。（8）設調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器，對象傳遞函數(shù)為：(其中)，用廣義頻率特性法按衰減率0.75 計算調(diào)節(jié)器的參數(shù)；根據(jù) 計算結(jié)果設置PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，啟動仿真，通過示波器模塊觀測并記錄系統(tǒng)輸出的變化曲線。（9）用響應曲線法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。求出對象的階躍響應曲線。根據(jù)響應曲線求取對象的動態(tài)特性參數(shù)。按表1計算調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并

6、根據(jù)計算結(jié)果設置PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。啟動仿真，通過示波器模塊觀測并記錄系統(tǒng)輸出的變化曲線。（10）用臨界曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。先將調(diào)節(jié)器改成純比例作用（使），并將比例增益置于較小的數(shù)值，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。啟動仿真，通過示波器模塊觀測并記錄系統(tǒng)輸出的變化曲線。逐漸增加比例增益，觀測不同比例增益下的調(diào)節(jié)過程，直到調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)等幅振蕩為止，記錄此時的比例帶 和系統(tǒng)的臨界振蕩周期 。根據(jù)求得的和，由表2可求得調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。將調(diào)節(jié)器參數(shù)設置好，作系統(tǒng)的定值階躍擾動試驗，觀測控制過程，并根據(jù)響應曲線適當修改整定參數(shù)。（11）用衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。先將調(diào)節(jié)器改成純比例作用，并將比例增益置于較

7、小的數(shù)值，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。啟動仿真，通過示波器模塊觀測并記錄系統(tǒng)輸出的變化曲線。逐漸增加比例增益，觀測不同比例增益下的調(diào)節(jié)過程，直到調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)衰減率為0.75的振蕩為止，記錄此時的比例帶和系統(tǒng)的臨界振蕩周期。 由表3可求得調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。將調(diào)節(jié)器參數(shù)設置好，作系統(tǒng)的定值階躍擾動試驗，觀測控制過程，適當修改整定參數(shù)，直到控制過程滿意為止。表4-3 臨界曲線法整定參數(shù)計算表控制規(guī)律調(diào)節(jié)器參數(shù)P2PI2.20.85PID1.670.5表4-4 衰減曲線法整定參數(shù)計算表控制規(guī)律調(diào)節(jié)器參數(shù)P2PI1.20.5PID0.80.30.1六、實驗曲線及數(shù)據(jù)處理、，1）臨界曲線法將調(diào)節(jié)器改成純比例積

8、分，即=0，=0。調(diào)整到出現(xiàn)等幅震蕩，此時。 如圖3。 圖3 由圖可知= =0.25，又由臨界曲線法整定參數(shù)計算表及以下公式關(guān)系， ， 得到調(diào)節(jié)器的參數(shù)：=2.4，=0.0727，=19.8修改PID 參數(shù)得到的曲線圖4 圖4(2) 衰減曲線法將調(diào)節(jié)器改成純比例積分，=0，=0。調(diào)整直到調(diào)節(jié)過程衰減率為0.75的震蕩為止，此時。如圖5 圖5由圖可知=0.535，=78s由衰減曲線法整定參數(shù)計算表及以下公式關(guān)系， ， 得到調(diào)節(jié)器的參數(shù)：=2.33， =0.09996， =18.174修改PID 參數(shù)得到的曲線圖6 圖6七、實驗總結(jié)1、P控制規(guī)律控制及時但不能消除余差，I控制規(guī)律能消除余差但控制不及時且一般不單獨使用，D控制規(guī)律控制很及時但存在余差且不能單獨使用。2、比例系數(shù)越小，過渡過程越平緩，穩(wěn)態(tài)誤差越大；反之，過渡過程振蕩越激烈，穩(wěn)態(tài)誤差越??；若Kp過大，則可能導致發(fā)散振蕩。Ti越大，積分作用越弱，過渡過程越平緩，消除穩(wěn)態(tài)誤差越慢；反之，過渡過程振蕩越激烈，消除穩(wěn)態(tài)誤差越快。T