过程控制系统设计及有关指南

过程控制系统设计仿真实验报告 实验名称：单回路控制系统PID控制器仿真实验 姓 名： 罗一弘 学 号： 20091593 班 级： 2009034 一、实验目的 1. 熟悉简单控制系统响应曲线法和临界比例度法整定PID参数过程。2. 掌握采用Matlab仿真工具进行PID参数整定的方法和过程。3. 掌握PID控制器中不同参数对控制系统性能的影响。二、实验步骤 （一）、响应曲线法求PI和PID控制器的参数1、PI控制参数P0=P=1.1=4.4% Ti=3.3=9.9s2、PID控制参数P=0.85=3.4% Ti=2=6s Td=0.5=1.5s图1-系统simulink模型（二）、稳定边界法求PI和PID控制器的参数1、PI控制参数首先取Ti=,Td=0,根据广义对象特性选择一个较大的P值，待系统运行平稳后，逐渐减小P，直至系统出现等幅震荡（图2）。图2-系统等幅震荡曲线由结果记录下Pm=2.062,Tm=10.406s。P=2.2Pm=4.54% Ti=0.85Tm=8.85s2、PID控制参数P=1.7Pm=3.51% Ti=0.50Tm=5.2s Td=0.125 Tm=1.3s（三）、实际微分算法实现PID控制采用经验法进行参数整定，并使用实际微分算法（图3）图3-采用实际微分算法的系统模型1、先置Ti=,Td=0，不断调节Kp，使过渡过程达到4:1至10:1的衰减比。2、将获得的Kp缩小10%-20%，Ti由大至小逐步增加，直至获得衰减比为4:1至10:1的过程。3、将Kp增大10%-20%，Ti适当缩短后，逐步调节Td的值，直至获得满意的过渡过程。三、实验记录（一）、响应曲线法下PI和PID控制结果1、PI控制下的系统响应曲线（图4）图4-响应曲线法下PI控制曲线2、PID控制下的系统响应曲线（图5）图5-响应曲线法下PID控制曲线（二）、稳定边界法下PI和PID控制结果1、PI控制下的系统响应曲线（图6）图6-稳定边界法下PI控制曲线2、PID控制下的系统响应曲线（图7）图7-稳定边界法下PID控制曲线（三）、实际微分算法实现PID控制1、由响应曲线法与稳定边界法可得Kp的大致范围，再经过重复试验可得Kp=0.27，即P=3.7%。此时衰减比为4.79:1，符合要求（图8）。图8-比例作用调节2、将Kp减小后重复调节Ti，此时系统衰减比为6.17:1，Kp=0.243，Ti=7.874s（图9）。图9-积分作用调节3、适当增大Kp，缩短Ti后重复调节Td,此时衰减比为11.15:1，Kp=0.255，Ti=7.843s，Td=0.2s（图10）。图10-微分作用调节四、结果分析 （一）、响应曲线法1、PI控制下超调量为18.7%，调节时间为19.69s，最大动态偏差为0.187，衰减比无穷大。2、PID控制下超调量为28.2%，调节时间为16.82s，最大动态偏差为0.282，衰减比为1.66：1。由此可见PID控制系统较PI控制缩短了调节时间，但增大了最大动态偏差。（二）、稳定边界法1、PI控制下超调量为20.2%，调节时间为20s，最大动态偏差为0.202，衰减比为28.86:1。2、PID控制下超调量为36.4%，调节时间为16.96s，最大动态偏差为0.364，衰减比为3.11:1。响应曲线法较稳定边界法有更小的动态偏差量，整定后的系统性能更好。（三）、经验法经验法整定后超调量为14.5%，调节时间为12.67s，最大动态偏差为0.145，衰减比为11.15:1。系统性能优于响应曲线法与稳态边界法整定后的系统。五、思考题 1. 响应曲线法整定的PI参数和PID参数中比例带、积分时间有何变化，为什么？答：与PI相比，PID参数中的P与Ti均有一定程度的减小，原因是PID控制中引入了微分调节，其可以改善动态性能，加快响应。对PI控制带来的偏差有一定改善，因此在加入微分作用后可适当加大比例控制与积分控制。2. 临界比例度法适用于何种场合的PID参数整定，在什么情况下不适合？答：稳定边界法适用于一般的流量、压力、液位和温度控制系统，但不适用于比例度特别小的过程，如控制通道时间常数很大，临界比例度很小，调节阀易游移于全开或全闭位置；工艺约束条件严格，不允许生产过程被控参数作长时间的等幅震荡。3. 在PID中采用实际微分和理想微分对控制曲线效果有何影响，为什么？实际系统中一般应采用哪种微分控制算法？答：与理想微分相比，实际微分的超调量与调节时间均小于理想微分（图11），整定后的系统性能更好。这是由于理想微分的输出信号持续时间太短，往往不能有效推动阀门。在实际系统中一般加以惯性延迟，即实际微分。4. 根据自己的学习和领会，归纳实际生产过程中如何整定PID参数，注意些什么？答：首先应根据实际生产过程的系统特性选定调节规律。然后根据工程整定方法计算PID参数。再对得到的参数进行系统仿真，根据仿真结果适度调整PID参数，最终得到合适的参数。图11-实际微分和理想微分比较六、心得体会 此次实验是我首次对PID控制进行较为深入的实验比较，此前自动控制原理实验中虽然频繁使用PID控制，但那并不代表对PID控制有了足够了解。而本实验给了我机会，通过matlab仿真理解PID各参数是如何影响系统性能的。实验中使用了三种工程整定方法，响应曲线法、稳定边界法与经验法，三种方法各有优缺点，根据实际工程环境选用以得到最好的系统。PID控制中各控制规律均对系统起着调节作用，P（比例控制）加快响应速度;I(积分作用)消除稳态误差；D（微分作用）改善动态性能。在参数整定中需要根据不同调节规律的特性，获取一组PID参数，使系统性能满足要求。本实验中首要的一步是正确搭建系统模型，再根据公式计算响应曲线法与稳定边界法下的各参数。本实验中的经验法并无特定公式计算，需要的是对各参数进行重复调节，时间花费比较多。