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g（x） =1，系統(tǒng)輸（10s +1/4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(shè)置出合適的PID參數(shù)，得出滿意的 響應曲線。設(shè)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PI

2、D （比例-積分-微分）控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。.PID控制規(guī)律寫成傳遞函數(shù)的形式為G (s)二 E(s)二 K (1 + 丄 + T s)二 K + K + K sU (s)p Tsd ps di式中，K為比例系數(shù)；K為積分系數(shù)；K為微分系數(shù)；T二為積 Pidi Ki分時間常數(shù)；T二竹為微分時間常數(shù)；簡單來說，PID控制各校正環(huán) d K節(jié)的作用如下：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。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜

3、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)T，T越大，積分作用越弱，反之則 ii越強。微分環(huán)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、實驗步驟啟動計算機，運行MATLAB應用程序。在 MATLAB 命令窗 口輸入 Smulink,啟動 Simulink。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File t New t Modeel,打開一個 標題為“Untitled”的空白模型編輯窗口。用鼠標雙擊信號源模塊庫

4、(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 拖放到空白模型編輯窗口中。用鼠標雙擊附加模塊庫mulink 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 Fen)、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。用

5、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，按下“Ctrl”鍵同時按下鼠標左鍵，拖動鼠標到所需模塊。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(shè)調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器，對象傳遞函數(shù)為：Ko (其中(1+ TS) n0K = 1,T二10,n二4)，用廣義頻率特性法按衰減率0.75 計算調(diào)節(jié)器的 00參數(shù)；根據(jù) 計算結(jié)果設(shè)置

6、 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。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),并根據(jù)計算結(jié)果設(shè)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。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TT二0)，并將比例增益置于id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5和系統(tǒng)的臨界振蕩周期T。kk根據(jù)求

7、得的5和T，由表2可求得調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。kk將調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)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T T二0，并將比例增益置于較小的id 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5和系統(tǒng)的臨界振蕩周期T。ss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(shè)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

8、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)5TTdP2 5kPI2.2 5k0.85 TkPID167 5k0.5 TkT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)TTdP2 PI1.2 05 TPID0.8 0.3 T01 T六、實驗曲線及數(shù)據(jù)處理、，1）臨界曲線法將調(diào)節(jié)器改成純比例積分，即 K =0，K =0。調(diào)整 K 到出現(xiàn)等幅震蕩i d p此時K二4。 如圖3。P圖3由圖可知 =0.25, t = 66sk Kkp又由臨界曲線法整定參數(shù)計算表及以下公式關(guān)系KddKr 二 PddKi Ki得到調(diào)節(jié)器的參數(shù)： K =2.4， K =0.0727， K =19.

9、8Pid修改 PID 參數(shù)得到的曲線圖 4圖4圖4(2) 衰減曲線法將調(diào)節(jié)器改成純比例積分，K =0, K =0。調(diào)整K直到調(diào)節(jié)過程衰減 idp率為0.75的震蕩為止，此時K二1.87。如圖5P圖5由圖可知6二丄=0.535, t =78ss K sP由衰減曲線法整定參數(shù)計算表及以下公式關(guān)系1KP 6 i K d s i P得到調(diào)節(jié)器的參數(shù)： K =2.33,K =0.09996,K =18.174p p i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?。蝗鬕過大，則可能導致發(fā)散振蕩。pTi 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； i反之，過