過程控制作業(yè)基于MatlabPID整定

1、過程控制課程設計報告題 目： PID整定方法的比較研究 姓 名： 學 號： 專 業(yè)： 自動化 年 級： 指導教師： 年 月 日目 錄1， 任務書32， 參數(shù)計算43， PID整定3.1臨界比例度法整定53.2減振蕩法整定7 3.3應曲線法整定84，問題總結11 4.1小結11 4.2三種整定方法的比較11 4.3 P、PI控制效果的比較12 4.4設計過程中遇到的問題及解決方法125，心得體會131 任務書1.1、設計題目 PID整定方法的比較研究1.2、設計任務 設計水槽水位單回路控制系統(tǒng)如圖1所示：在閥門開度Du 階躍變化50%時，測得液位的響應數(shù)據(jù)如表1 所示：(1)液位必須控制在一定范

2、圍內(nèi)，否則會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，出現(xiàn)安全事故。液位測量變速器的測量范圍為100400mm。已知測量變送環(huán)節(jié)均為線性測量變送元件。(2)控制系統(tǒng)采用DDZ-III 型儀表，輸入輸出信號為標準電流信號。(3)閥門為直線特性。1.3、設計內(nèi)容 1、用具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)近似該被控過程的數(shù)學模型2、分別用臨界比例度法、衰減振蕩法、反應曲線法整定P，PI 控制器參數(shù)3、利用 MATLAB/SIMULINK 構建單回路控制系統(tǒng)模型4、比較不同整定方法的控制效果5、比較P、PI 控制效果 2 計算采用兩點法計算參數(shù)， 由：T= (t2-t1)/ln1-y0(t1)-ln1-y0(t2)=t2ln1-y0

3、(t1)-t1ln1-y0(t2)/ln1-y0(t1)-ln1-y0(t2) 得：T00.20.40.60.811.2Y*0.0000.0000.0280.1920.3630.5690.730t/min1.41.61.82.02.2Y*0.8400.9220.9680.990111表2Y*(t1)Y*(t2) 0.028(0.4)0.569(1.0)0.7370.3790.192(0.6)0.840(1.4)0.4940.4950.363(0.8)0.968(1.8)0.3340.648表3由表3得：=（0.737+0.494+0.334）/3=0.522=（0.379+0.495+0.64

4、8）/3=0.507K=(340.5-200.1)/50=2.808G(s)=2.808e(0.507s)/(0.522s+1)檢測變送K1=(20-4)/（400-300）=0.053調(diào)節(jié)閥開度K2=100/16=6.25MATLAB/SIMULINK 構建單回路控制系統(tǒng)模型圖3 PID整定3.1臨界比例度法 具體整定步驟如下： 將控制器的積分時間TI置于最大（ TI =） ，比例帶置為較大的數(shù)值, 把系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。系統(tǒng)穩(wěn)定后，施加一個階躍輸入；減小比例度，直到出現(xiàn)等幅振蕩為止。記錄臨界比例帶和等幅振蕩周期。 根據(jù)和 ，采用表1中的經(jīng)驗公式，計算控制器各參數(shù)。表1采用臨界比例度法的整定參

5、數(shù) 整定參數(shù)控制規(guī)律k T TdP2k - -PI2.2k 0.85Tk -PID1.7k 0.5Tk 0.125Tk調(diào)試過程：K=60,T=999999K=73.5,T=999999PI整定，由等幅振蕩可得：Tk=4 k=0.023=0.051 T=3.43.2衰減曲線法 具體整定步驟如下： 將控制器的積分時間TI置于最大（ TI =） ，比例帶置為較大的數(shù)值, 把系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。 系統(tǒng)穩(wěn)定后，施加一個階躍輸入；減小比例度，直到出現(xiàn)如圖5所示衰減比n=4:1的振蕩過程。記錄此時的比例帶和相應的衰減振蕩周期。 根據(jù)和 ，采用表2中的經(jīng)驗公式，計算控制器各參數(shù)。表2衰減曲線法整定計算公式衰減率

6、 整定參數(shù)控制規(guī)律 T1 Td0.75P s - - PI1.2s0.5 Ts - PID 0.8s 0.3 Ts 0.1 Ts取Kp=47.2,Ki=3時得到滿意仿真效果下圖所示：Ts=4.8 s=0.017=0.020 Ti=2.4加入積分環(huán)節(jié)后的仿真效果圖 整定參數(shù)表衰減率 整定參數(shù)控制規(guī)律 T1 Td0.75P 0.72 - - PI0.870.86 -表63.3反應曲線法： 反應曲線法，在預先不知道控制對象特性的情況下進行的。如果知道控制對象的特性參數(shù)，即時間常數(shù)T、時間遲延和放大系數(shù)K，則可按經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的參數(shù)。利用這種方法整定的結果可達到衰減率=0.75的要求。無自衡過程

7、的整定公式 整定參數(shù)控制規(guī)律 T1 Td P - - PI 1.1 3.3 - PID 0.85 2 0.5表3自衡過程整定計算公式整定參數(shù) 控制規(guī)律 /T0.20.20/T01.5T1TdT1TdP/(* T0)-2.6(/T0-0.08)/(/T0+0.7)-PI1.1/(* T0)3.3-2.6(/T0-0.08)/(/T0+0.6)0.8T0-PID0.85/(* T0)20.52.6(/T0-0.15)/(/T0+0.08)0.81T0+0.190.25T1表4 流程圖：響應曲線：整定參數(shù)：整定參數(shù) 控制規(guī)律 0/T0=0.38，1/=0.93，0=0.5，T0=1.3T1TdP0.

8、671-PI0.7401.04-P整定曲線：PI整定流程圖：反應曲線：4 問題總結 4.1 小結1. 衰減曲線法整定時控制保持衰減比等于4:1花費了很多時間。2.一開始做Simulink仿真時反饋沒有改3.開始對軟件不是很熟悉，挺多功能不懂用，如數(shù)據(jù)的測量，不知道用放大來觀察，時間延時器錯誤的選了兩個輸入端的。不知道如何設定積分器參數(shù)等問題。 4.測試系統(tǒng)液位設定值為300mm時的響應曲線時，忘了將300mm轉化成電流值。性能指標的具體參數(shù)有哪些不記得。 4.2 三種整定方法的比較共同點：三種整定方法都是通過試驗獲取某些特征參數(shù)，然后再按照工程經(jīng)驗公式計算控制器的整定參數(shù)。不同點： 臨界比例度

9、法和衰減曲線法都是閉環(huán)整定方法，其優(yōu)點是不需要掌握被控過程的數(shù)學模型。但這兩種方法都存在一定的缺點，如對于臨界比例度，由于有些過程控制系統(tǒng)不允許反復振蕩試驗，有些時間常數(shù)較大的單容過程采用比例控制時根本不可能出現(xiàn)等幅振蕩，即不能應用此法；對于衰減曲線法，要確定系統(tǒng)4:1的衰減程度比較困難，從而使獲得的值和值可能存在誤差。 反應曲線法是開環(huán)整定方法，即通過系統(tǒng)開環(huán)試驗得到被控過程的特征參數(shù)后，再對控制器參數(shù)進行整定。這種方法的適用性較廣。與其他兩種方法相比，反應曲線法所受試驗條件的限制較少，通用性較強。 從控制效果來看，對于三種整定方法得到的PI控制器，衰減振蕩法的控制效果比其他兩種方法相對較好

10、，衰減振蕩法整定的PI控制器使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能。 4.3 P、PI控制效果的比較 P控制當比例帶分別為0.7375、0.851、1.3449時，相應的穩(wěn)態(tài)誤差分別132.114mm、142.84mm、176.89mm，相應的超調(diào)分別為57.03、46.67、22.72（如表5所示），可見比例控制是一種有差調(diào)節(jié)，即當采用比例控制時，不可避免的會使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差；比例控制的穩(wěn)態(tài)誤差隨比例帶的增大而增大；隨著比例帶的減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。 PI控制 當系統(tǒng)采用PI控制時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0，可見積分控制可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度；從對比P、PI控制時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間可見（如表5所示），積分作

11、用降低系統(tǒng)的振蕩頻率，使閉環(huán)控制系統(tǒng)的響應變慢； 4.4 設計過程中遇到的問題及解決方法 如何利用MATLAB對響應數(shù)據(jù)進行曲線的擬合。解決方法：通過查看相關MATLAB的書籍，了解MATLAB曲線擬合的相關知識。 如何使仿真得到的響應曲線光滑。 解決方法：通過SimulationConfiguration Parameters打開仿真參數(shù)設置對話框，設置Max step size=0.01。 如何從Scope中的曲線上準確讀取某點的坐標值。解決方法：通過鼠標不斷單擊曲線上要讀取的點直到能從坐標軸上讀取較準確的坐標值。5 心得體會 在這次過程控制作業(yè)中我不僅檢驗了課上所學，并且從中學到了更多知識，也提高了實踐能力。在做課程設計之前為了更好使用MATLAB去網(wǎng)上學習了MATLAB控制系統(tǒng)的設計與仿真收獲良多。MATLAB可以方便地應用于系統(tǒng)建模和仿真等方面優(yōu)秀軟件，是不可多得的工具。設計結果的分析與總結中，我的分析問題解決問題的能力得到提高。通過用臨界比例度法、衰減振蕩法、反應曲線法整定P、PI控制器參數(shù)，我掌握三種方法整定PID參數(shù)，并且掌握了很多實用技巧。試驗中深切了解到PI控制作用的內(nèi)涵：在PI控制器中，當Kc不變時，減小Ti，積分控制作用增強，衰減比減小，振蕩加劇，隨動控制系統(tǒng)