PID控制器参数自整定实验一

PID控制器参数自整定实验
一、实验目的
1．熟悉PID控制器参数的自整定法；
2．学会利用MATLAB实现对控制器参数进行整定。

二、实验设备
安装Windows系统和MATLAB软件的计算机一台。

三、实验内容
任务一：某液位控制系统，在控制阀开度增加10%后，液位的响应数据如下：
如果用具有延迟的一阶惯性环节近似，确定其参数K、T和 ，并根据这些参数整定PI控制器的参数，用仿真结果验证之。

，分别用动态特性参数法、稳任务二：已知被控对象的传递函数为G(s)=1
(3s+1)5
定边界法、衰减曲线法以及MATLAB的pidtune函数确定PID控制器参数，并用单位阶跃响应比较整定结果。

四、实验原理
ID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。

现在一般采用的是临界比例法。

利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整P\I\D的大小。

五、实验步骤
任务一
step=0.5;
t0=[0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100];
h0=[0 0.8 2.8 4.5 5.4 5.9 6.1 6.2 6.3 6.3 6.3];
t=0:step:max(t0);
h=interp1(t0,h0,t,'spline');
figure(1)
plot(t0,h0,'r.',t,h,'b-');
grid on;
legend(('实验数据'),('平滑曲线'))
l=length(h);
for i=1:1:l-1
dht(i)=(h(i+1)-h(i))/(t(i+1)-t(i));
end
[max_var,max_i]=max(dht);
slop=max_var;
t0=t(max_i);
h0=h(max_i);
fx=1:1:400;
temp_i=0;
for i=1:1:400
temp_i=0;
for i=1:1:400
temp(i)=h0+slop*(i-t0);
if(temp(i)>39.5)
break;
end
if(i>2&&temp(i)>0&&temp(i-1)<0) temp_i=i;
end
end
end
figure(2)
t2=t;
h2=h0+slop*(t2-t0);
plot(t,h,t2,h2);
tao=temp_i;
T=length(temp)-tao;
axis([1,400,0.1,39.5]);
grid on
任务二
G = tf(1,[3 1].^5);
Kp = 0.6*(1/15);
Ki = 1.2*(1/15)/3;
Kd = 0.075*(1/15)*3;
C_PID_ZN = pid(Kp, Ki, Kd);
T_PID_ZN = feedback(C_PID_ZN*G, 1);
step(T_PID_ZN)
稳定边界法（Chien-Hrones-Reswick）
[Kp, Ti, Td] = pidtune(G,'P','C','I');
C_PID_CHR = pid(Kp, Kp/Ti, Kp*Td);
T_PID_CHR = feedback(C_PID_CHR*G, 1);
step(T_PID_CHR)
衰减曲线法（Lambda-Tuning）
lambda = 0.5;
K0 = dcgain(G)/(lambda*stdstep(G)*sqrt(2));
Kc_LambdaTuning = K0/(1+sqrt(2)/lambda);
tau_I_LambdaTuning = lambda*T;
tau_D_LambdaTuning = T/(2*lambda);
C_PID_LambdaTuning=pid(Kc_LambdaTuning,Kc_LambdaTuning/tau_I_LambdaTu ning,Kc_LambdaTuning*tau_D_LambdaTuning);
T_PID_LambdaTuning=feedback(C_PID_LambdaTuning*G,1);
step(T_PID_LambdaTuning)
PIDs=PIDs_TUNER('G',G,'PIDTUNER');
PIDs.Tune('ziegler-nichols');
PIDs.Tune('Cohen-Coon');
六、思考题
1．根据系统的单位阶跃响应曲线，估计系统在PID控制时阶跃响应的超调量和过渡过程时间大约为多少？
2．说明利用常用的PID整定方法，并比较其使用时对PID控制器参数自整定时的优缺点。

3. 将实验一中任务2中的被控对象模型作为广义被控对象的传递函数，选择合适的方法重复上述过程完成PID参数的整定。

动态特性参数法是一种通过观察系统的动态响应来自整定PID控制器的方法。

该方法具有以下优点：不需要精确的数学模型，只需要对系统进行一些简单的实验就可以得到合适的PID参数。

适用于非线性和时变系统，因为该方法直接根据系统的实际响应进行自整定。

但是，该方法也存在一些缺点：需要人工干预，需要人员在现场操作。

对于一些很难稳定的系统，该方法可能会导致系统不稳定。

稳定边界法是一种基于系统频率响应特性的自整定方法。

该方法具有以下优点：不需要对系统进行过多的干预和修改，可以在现场进行快速自整定。

稳定性好，可以保证系统的稳态性能和动态性能。

但是，该方法也存在一些缺点：需要在一定范围内改变PID参数，可能需要经过多次试验才能找到合适的参数。

受到系统内部噪声、干扰等因素的影响，结果可能会有一些误差。

衰减曲线法是一种通过分析系统阻尼比、周期时间等参数来自整定PID控制器的方法。

该方法具有以下优点：可以适用于很多不同种类的系统，因为只需要分析系统的基本参数即可。

可以保证系统的阻尼比和周期时间在合适的范围内，从而实现了系统的快速响应和稳态性能。

但是，该方法也存在一些缺点：需要经过多次试验才能找到合适的参数。

对于一些非线性系统可能无法实现精确的自整定。