单回路控制系统参数整定精编WORD版
单回路控制系统整定实验报告
单回路控制系统整定实验报告本文是对单回路控制系统整定实验的总结和分析，主要包括实验目的、实验原理、实验过程、实验结果以及实验分析等方面的内容。
一、实验目的本实验的主要目的是掌握单回路控制系统整定方法，了解控制系统的稳态误差和动态响应特性，提高实际应用控制系统的能力。
二、实验原理单回路控制系统是一种基本的控制系统形式，它由被控对象、传感器、执行机构、控制器和控制信号等组成。
例如，温度控制系统、速度控制系统、压力控制系统等都是单回路控制系统的应用。
在通过控制器使被控对象产生控制输出信号的过程中，存在稳态误差和动态响应特性问题，对其进行整定是控制系统设计中重要的环节。
稳态误差是指控制器输出的控制信号与被控对象实际输出之间的误差。
当被控对象达到稳定状态时，控制器输出的控制信号与被控对象实际输出之间的误差称为稳态误差，在实际控制系统设计中，应尽可能使稳态误差达到最小。
动态响应特性是指控制系统对负载扰动、控制信号变化等外部干扰的响应能力。
在实际应用控制系统中，需要考虑控制系统的动态响应特性，以此保证系统稳定性和控制效果。
控制系统的整定就是调整控制器参数，使系统的稳态误差和动态响应特性达到最优状态，从而获得最佳控制效果。
三、实验过程本实验是基于MATLAB/Simulink软件进行的模拟实验。
实验系统模型：本实验模拟一个简单的单回路负反馈控制系统，其模型如图所示。
其中，控制器采用比例积分控制器（PI控制器），其控制方程为：$$u(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(τ) \, dτ$$传感器和被控对象之间的关系用传递函数表示为：$$G(s) = \frac{1}{s(1+0.5s)}$$控制器的参数Kp和Ki需进行整定。
实验过程中，先通过手动调节的方式获得基本的参数范围，再通过曲线法和频率法对其进行精细调整。
曲线法：首先设置一个阶跃参考信号，观察系统的单位阶跃响应曲线，根据曲线特征调整控制器参数。
单回路控制系统的参数整定
P=1 -----P=2 -----P=3 ------
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
结论：
• 比例作用无惯性、无迟延、动作快； • 有差调节 • Kp越大，比例带越小，稳定性减弱，控制 作用增强，动差减小，静差减小。
8 1 8 y lim s 2 s 0 3 s 5 s 17 s 17
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
0.8 0.6
0.4
0.2
0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
令P分别等于1、2、3，得到以下不 同曲线：
谢谢！
4 2 0 . 8 s 2 Y ( s ) 3 3 . 2 s 8 s 5 s 9 G ( s ) 2 4 R ( s ) 1 s 8 . 2 s 1 3 2 2 0 . 8 s 3 s 5 s 9
3 . 2 s 8 18 y lim s 2 s 0 3 s 8 . 2 s 17 s 17
2.比例积分调节（PI）
• 令P=2,I=2,D=0:
4 2 2 2 Y ( s ) 3 8 s 8 s 5 s 9 s G ( s ) 3 2 4 R ( s ) s 5 s 17 s 8 2 3 1 2 2 3 s 5 s 9 s
1 0.5 0
1 0.5 0 0
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4
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单回路自动调节系统的整定精品文档10页
实验三 单回路自动调节系统的整定一、实验目的a) 熟悉单回路调节系统的整定方法； b)了解调节器参数对调节过程的影响。
二、实验内容对下列调节系统进行仿真，先根据调节对象估算出调节器各参数（δ、T i 、T d ）的值，再观察各参数值的变化对调节过程的影响。
调节对象的参数可自行选取，例如可选T 0=10，n= 4或5。
进行仿真实验，当需要显示多条仿真曲线时可采用如下所示的仿真框图：其中，PID 模块可以从Simulink Extras |Additional Linear 图形子库中提取。
该模块传递函数或者我们自己可以构建这个功能模块，如下所示：单回路调节系统的整定方法主要有临界比例带法、图表整定法和衰减曲线法等，下面介绍其中两种，可任选其中一种方法进行实验。
1．临界比例带法临界比例带法是在纯比例作用下将系统投入闭环运行，不断改变比例带δ的数值使调节系统产生等幅振荡，并记录对应的临界比例带δc 和临界振荡周期T c 。
然后根据δc 和T c 得到系统所希望的衰减率时的其它整定参数。
具体整定步骤如下：（1）设置调节器整定参数T i →∞，T d =0，δ置于较大的数值后，将系统投入闭环运行。
（2）系统运行稳定后，适量减小比例带的数值并施加阶跃扰动，观察被调量的变化，直到出现等幅振荡为止。
记录此时的临界比例带δc和临界振荡周期Tc。
（3）根据临界比例带δc 和临界振荡周期Tc，调节器中的整定参数可按下式计算：（i）P调节器：δ＝2δc；（ii）PI调节器：δ＝2.2δc，T i＝0.85T c ；（iii）PID调节器：δ＝1.67δc，T i＝0.5T c ；T d＝0.25T i。
所列的计算公式是按衰减率ψ=0.75时为依据的。
根据调节系统采用不同的调节器类型，选用不同的计算公式，求出整定参数。
（4）将计算出的各整定参数值设置到调节器中，对系统作阶跃扰动试验，观察被调量的阶跃响应，适当修改各整定参数，直到满意为止。
单回路控制系统整定2012
（3）按计下表算结果设置好调节器的各个参
数，作阶跃扰动试验，观察调节过程，适当 修改调节器参数，到满意为止。
衰减曲线法也是利用了比例作用下的调节过
程。对于ψ=0. 75，采用比例积分调节规律时 相对于采用比例调节规律是引入了积分作用， 因此系统的稳定性将下降，为仍然能得到 ψ=0. 75的衰减率，就须将δ放大1.2倍后作为 比例积分调节器的比例带值。对于三参数调 节规律，由于微分作用的引入提高了系统的 稳定性和准确性，因此可将δ减小至0.8后作 为调节器比例带设定值，同时积分时间与无 微分作用下相比也适当减小了。
经验法整定参数的具体步骤是： (1)将调节器的积分时间Ti放到最大，微分时间Td 置于最小，据经验设置比例带δ值，将系统投入闭 环运行，稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程， 若过渡过程有希望的衰减率（ψ=0. 75-0.9)则可， 否则改比例带δ值，重复上述试验。 (2)将调节器的积分时间Ti由最大调整到某一值， 由于积分作用的引入使系统的稳定性下降，这时应 将比例带δ值适当增大，一般为纯比例作用的1.2倍。 作阶跃扰动试验，观察调节过程，修改积分时间重 复试验，直到满意为止。
节器比例带为δK然后按表4-3计算出调节器的 各个参数。 (4)将计算好的参数值在调节器上设置好，作 阶跃响应试验，观察系统的调节过程适当修 改调节器的参数，直到调节过程满意为止。
临界比例带法在实际应用中有一定的局限 性， 1)有些生产过程根本不允许产生等幅振荡， 如 火力发电厂锅炉汽包水位控制。 2)惯性较大的单容对象配比例调节器不易产生 等幅振荡过程，得不到临界状态下的调节器比 例带δK及振荡周期TK。
用同样方法，可以计算出当衰减率为不同值 时的整定参数值，下面列出以几种不同衰减 率进行整定计算后得到的数据如表4-1所示。
第6章__单回路控制系统设计及调节器参数整定
假设进水阀门为线性阀，则
而流出量与水槽水位高度的平方根 成正比，即
则整理得到：
如何进行线性 化处理呢？
即：
这里还可以定义液阻Rs，其物理意义是：要使输出量 单位增长（即增加1m3/s）所需要液位升高的高度。它反 映了流出管路上阀门2的阻力大小。
即： 将上式整理可得：
若令T= RsC=RsA，K= ku Rs ,即 ：
一方面冷水的增加会引起汽包内水的 沸腾突然减弱，水中气泡迅速减少，水位 下降，如图中h1； 另一方面，液位会随着进水量的增加 而提高，并呈现出积分特性，如图中h2。
根据叠加原理，实际水位的变化
h h1 h2
这种在给水量阶跃增加作用下的开 始一段时间内水位不升反降，形成虚 假水位下降的现象，即是所谓“假水 位”现象。 用传递函数来描述可表示为：
只要对象的平衡工况一旦被破坏，就再也无法自建平 衡。这就是无自衡特性。
根据上图可以看出，自衡过程与非自衡过程的动态特 性一般可以分别用如下传递函数来近似描述，即 自衡过程：
K s G (s) e Ts 1 G (s) K s e Ts
无自衡过程：
工业过程的对象特性常见的还有采用二阶环节加纯滞 后过程来近似描述，即 自衡过程： G( s) 无自衡过程：
( K 2T1 K1 )s K 2 G( s) s(T1s 1) K1 观察上式可以看出，当： K 2 T1 K1 时，在响应初期， 占主导 T1s 1
地位，过程将出现反向特性。若该
条件不成立，则过程不会出现反向 特性。
K1 K2 T1
其右零点值为：： s
K2 K1 K 2T1
假设水槽的横截面积为A，根据物 料平衡关系可以得出：
热工控制系统---实验二--单回路控制系统参数整定知识讲解
实验二 单回路控制系统参数整定一、实验目的1、了解被控对象的特性对控制系统控制品质的影响。
2、掌握不同调节规律的调节器（P 、PI 、PID ）对控制系统控制品质的影响。
3、熟悉MATLAB 软件中Simulink 工具箱的使用方法及在控制系统设计仿真中的应用。
4、掌握单回路控制系统中不同调节规律的调节器的参数整定方法。
二、Simulink 工具箱简介1、Simulink 工具箱的启动与主要模块介绍启动MATLAB 软件，在主程序窗口中点击“Simulink 按钮”，可以打开Simulink 工具箱的主窗口，如下图所示：图1－1 MATLAB 主程序窗口图1－2 Simulink 工具箱主窗口 Simulink 按钮新建按钮功能模块组列表功能模块在Simulink工具箱的主窗口中点击“新建按钮”，可以打开一个未命名的Simulink控制系统仿真界面，在界面中可以如图1－3所示：图1－3 未命名的Simulink控制系统仿真界面在上图所示的界面中可以根据需要，使用Simulink工具箱中的各功能模块组成控制系统方框图，对控制系统进行仿真研究。
本次实验中用到的主要功能模块如下：●增益模块（Gain）在图1－2所示的Simulink工具箱主窗口的功能模块组列表中点击Math Operations功能模块组，会在窗口右边出现对应的各功能模块，用鼠标选择其中的增益模块（Gain）并按住左键将其拖到图1－3所示的Simulink控制系统仿真界面中，即可以得到一个增益模块（Gain）。
单击增益模块（Gain）下方的模块名称“Gain”，可以对其名称进行修改，双击增益模块（Gain），可以打开增益模块（Gain）的参数设置对话框如下图所示：增益值图1－4 增益模块（Gain）参数设置对话框增益模块（Gain）的功能为将输入值与增益值相乘，并将乘积输出，在对话框中可以对增益值Gain进行修改。
●加（减）法模块（Sum）在图1－2所示的Simulink工具箱主窗口的功能模块组列表中点击Math Operations功能模块组，会在窗口右边出现对应的各功能模块，用鼠标选择其中的加（减）法模块（Sum）并按住左键将其拖到图1－3所示的Simulink控制系统仿真界面中，即可以得到一个加（减）法模块（Sum）。
单回路控制系统分析与其参数整定
能源与动力工程学院 Transfer 切换器
常规理解： IF FLAG=TRUE，THEN OUT=IN2
IF FLAG=FALSE， THEN OUT=IN1
能源与动力工程学院
高低限监视器 HighLow Monitor
能源与动力工程学院
能源与动力工程学院
M/A站 M/A Station
三种模式： 手动、自动、 就地
I
T
A
I
显示 操作器
能源与动力工程学院
SAMA图
SAMA图是美国科学仪器制造协会（Scientific Apparatus Maker’s Association）所采用的绘制图例，它易 于理解，能清楚地表示系统功能，广范为自动控制系统所 应用。
测量或信号显示功能 自动信号处理功能 手动信号处理功能 执行机构
时，PI→I。 （2）积分时间Ti 影响积分作用的强弱,比例带δ不但影响比
例作用的强弱，而且也会影响积分作用的强弱。 （3） 无差调节。
e
PI调节器 阶跃响应曲 线
o μ
e0
o
Ti
Δe0 t
e0
t
能源与动力工程学院
阶跃扰动为Δe 0时
1
e0
1
Ti
e0t
（7－11）
把 t = Ti 代人式(3－11)可得：
+
能源与动力工程学院
2 .1 基本调节作用
调节器的控制规律中最基本的调节作用是比例、积分和微分 作用 , 它们各有其独特的作用，下面分别讨论。
（1）比例作用（简称P作用）
比例作用的动态方程为：
KPe KP r y
式中：e ——被调量偏差，调节器的输入信号；
单回路控制系统的参数整定
单回路控制系统的参数整定
实验要求：
(1)了解调节器特性的实验测试方法
(2)掌握依据飞升特性曲线求取对象动态特性参数和调节器参数的方法
(3)熟悉单回路控制系统的工程整定方法
实验内容：
(1)在 Simulink 中搭建含该被控对象的单回路控制系统，其中输入为单位阶跃信号、单位负反馈、调节器选用 PID控制规律 (提示：PID环节用 Simulink 库中自带的)
(2)采用稳定边界法整定调节器参数，并给出 P、PI、PID三种调节规律下的单回路控制系统的输出曲线
Kp=4.78 Pm=0.2092 （Kp=1/Pm）
Tm=156.1-84.11=71.99s
P调节：
Kp=1/(2*Pm)=1/2*4.78=2.39
PI调节：
Kp=1/(2.2*Pm)=1/2.2*4.78=2.173
Ki=Kp/Ti=2.173/(0.85*71.99)=0.0355
PID调节：
Kp=1/(1.7*Pm)=1/1.7*4.78=2.81
Ki=Kp/Ti=2.81/(0.5*71.99)=0.078 Kd=Kp*Ti=2.81*0.125*71.99=25.286
(3)比较、分析实验结果
(4)加分项目：采用衰减曲线法整定调节器参数衰减比为4：1 时。
过程控制-单回路PID控制、PID的参数整定、实用数字PID及相关技术-文档资料
如何确定PID参数？
PID控制器的 参数整定与应用
PID参数对控制性能的影响
控制器增益 Kc或比例度δ
增 定益性下Kc降的；增大（或比例度δ下降），使系统的调节作用增强，但稳
积分时间Ti
积 制分系作统用的的稳增定强性（下即降；Ti 下降），使系统消除余差的能力加强，但控
电流转变为气压来操纵阀门
数字计算和通讯
手动操作
信号在局域网中传输， 传感器和阀门也可带有微处理器！
机械装置
气动设备 电动设备
数字PID
数字计算
数字计算 和通讯
信号采用数字传输
电流转变为气压来操纵阀门
数字控制
为什么？
数字控制采用分布式网络结构
操作站
操作站
数字通讯
(s)
Kc
(1
1 Ti s
)
积分时间Ti 对系统性能的影响
引入积分作用的根本目的是为了消除稳态余差，但使控制 系统的稳定性下降。当积分作用过强时（即Ti 过小），可 能使控制系统不稳定。
积分作用Ti对控制性能的影响
理想的比例积分微分PID控制器
u
Kc
(e
1 Ti
t
edt
0
Td
d ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱt)
Kd
Td s 1
+
u (t)
Kv Tvs 1
K p exp( s) + Tps 1
y (t)
Km
z (t)
Tms 1
假设控制输入u (t)与干扰输入d (t)均为阶跃信号，要求显示 输入对被控变量y (t)及其测量z (t)的动态响应。
单回路控制系统参数整定
单回路控制系统参数整定首先，为了实现良好的控制系统性能，我们需要确定四个关键参数：比例增益（Kp），积分时间常数（Ti），微分时间常数（Td）和控制器增益（Kc）。
整定这些参数需要考虑系统的稳态和动态性能。
下面将依次介绍这些参数。
比例增益（Kp）是最基本的一个参数，通过增加或减少输出与输入之间的比例关系来调节系统的响应速度。
当Kp过大时，系统容易产生震荡或不稳定的行为；而Kp过小则会导致系统的响应速度较慢。
Kp的大小一般由试验和经验确定。
积分时间常数（Ti）是对系统的稳态性能进行调节的参数。
增大Ti可以减小系统的稳态误差，但可能会带来较长的调节时间。
根据所需的稳态误差来选择合适的Ti，一般建议取值较大，以避免过度调节。
微分时间常数（Td）用于调节系统的动态响应速度。
增大Td可以减小系统的超调量，但过大的Td可能会导致系统对噪声敏感。
一般来说，选择适当的Td可以使系统具有较好的响应速度和较小的超调量。
控制器增益（Kc）是控制器输出和输入差值的倍数关系。
通过增大或减小Kc来调节控制器的输出量级，从而使控制系统达到预期的性能指标。
一般情况下，Kc的选择需要考虑系统的稳定性和灵敏度。
除了试探法，还有一些优化算法可用于系统参数整定，如：遗传算法、模糊控制和神经网络。
这些算法通过优化目标函数来确定最优的参数值，可以有效减少参数整定的时间和工作量。
然而，这些算法需要较高的计算资源和较长的计算时间，因此在实际应用中需要权衡其效果和成本。
总结起来，单回路控制系统参数整定是实现控制系统性能的关键步骤。
参数整定需要综合考虑系统的稳态和动态性能，并采用适当的方法和技术来确定最优的参数值。
合理的参数整定可以使控制系统达到预期的性能指标，提高系统的稳定性和控制效果。
【2019年整理】过程控制-单回路PID控制、PID的参数整定、实用数字PID及相关技术
测量值 T m ( t)
温度测量变送 Gm (s)
对于单回路控制常采用PID控制，PID控制的特点：
简单易理解、鲁棒性好、适应面广
纯比例P控制器
u(t ) Kce(t ) u0
1 *100% Kc
控制器增益 Kc或比例度δ对系统性能的影 响：增益 Kc 的增大（或比例度δ下降），使系
积分作用Ti对控制性能的影响
理想的比例积分微分PID控制器
de u K c (e edt Td ) u0 0 dt
1 Ti t
1 Gc ( s) K c (1 Td s) Ti s
微分时间Td 对系统性能的影响
微分作用的增强（即Td 增大），从理论上讲使 系统的超前作用增强，稳定性得到加强，但对 高频噪声起放大作用。对于测量噪声较大的对 象，需要引入测量信号的平滑滤波。而微分作 用主要适合于特性一阶滞后较大的广义对象， 如温度、成份等。
采用比例作用、比例积分作用、比例积分微分作用时， 求其最佳整定参数值。
解：应用表3-2经验公式， 可得
(1).比例控制器 =2K=2×20%=40% (2).比例积分控制器 =2.2K=2.2×20%=44%
TI=TK/1.2=1/1.2=0.83min
(3).比例积分微分控制器 =1.6K=1.620%=32% TI=0.5TK=0.51=0.5min TD=0.25TI=0.250.5=0.125min
返回
(2)、计算参数 根据S和TS，使用表3-8计算出控制器的各个整定 参数值。
(3)、进一步调整
按“先P后I最后D”的操作程序，将求得的参数 设置在控制器上；
再观察运行曲线，若不太理想，可做适当调整。
单回路自动调节参数整定
不同时间常数（惯性）对 象的阶跃响应曲线
有自平衡能力对象 的一阶响应曲线
被调量因扰动的存在使得控制结果不能 立即达到想要的状态的现象叫做惯性
(三) 控制回路动态特性分析 有自平衡能力对象的动态特性 2、一阶惯性环节+纯迟延
水流过管道迟延时间τ
τ
Q1 控制阀Ua Q11
Q2
控制阀Ub
有迟延单容水箱示意图
开环
(三) 控制回路动态特性分析 有无自平衡能力的对象
控制阀Ua
Q1
Q2
控制阀Ub
流出量和水位有关
如左图所示，进水流量为Q1，出水流量为Q2， 水位高度为h,此刻，系统处于平衡状态，Q1=Q2, 控制阀Ub此时开度为U10。T0时刻，Ua阶跃开大 Δu,Q1随即阶跃增加ΔQ1,即为Q1+ ΔQ1;Ub此刻 开度未变化，即还是Q2。这样水箱水位在T0时刻 的不平衡流量ΔQ1的作用下开始上升，其上升速度 与ΔQ1成正比。 水箱水位的上升造成Q2流量的增加，假设增加 量为ΔQ2，而且随着水位的上升， ΔQ2也越来越大， 即不平衡流量ΔQ=ΔQ1-ΔQ2，而且越来越小，因此水 位上升速度也就越来越小，直到Ts时刻， ΔQ=ΔQ1-ΔQ2=0，水箱水位h不再上升而稳定在一个 新的位置上。 Δh(00)
(三) 控制回路动态特性分析 控制系统的性能指标 性能指标
稳定性：衰减率 =(y1-y3)/y1、衰减比ŋ=(y1/y3)=0.75~0.9
(0 ≤ 1,n 1)
准确性：最大动态偏差 y1、静态偏差 y∞减给定值、超调量
=y1/y(00)*100%
快速性：控制过程持续时间 ts 。
常用术语
被控对象\被控 量\给定值等
(一) 自动控制原理基础 自动控制的基本概念
第七章 单回路控制系统的整定3
1
ω1
180o − 57.3ω1τ
0
2010-12-13 11
α
六．有纯迟延环节时的整定方法
为了作出系统的全部根轨迹，先分析一 下根轨迹的起点和终点： e − sτ （1）起点：即开环传递函数 Gk ( s) = k s 的极点。 s = 0 为有限极点，它是根轨迹的一个 起点； G s → −∞时， (s) → ∞ ，故 s → −∞ 处也为根轨 迹的起点。
R
i
2010-12-13
3
整定步骤
Td （3）由所得δ , Ti , Td 的值，根据 F = 1 + Ti ∗ ∗ ∗ 计算出调节器的整定参数δ , Ti Td 。
Td Td Ti 1 ∗ G R ( s ) = ∗ (1 + ∗ + Td s ) = ⋅ δ s Ti s δ ψ = 0.75 时，调节器的整定参数 δ ∗ , Ti ∗ Td∗ 求 1
G s → ∞时， k ( s) → 0 ，故 s → ∞ 处为根轨迹的
终点。当 s → ∞ 时，幅角 ∠s = 0 。根据根轨 ωτ 迹的幅角条件，得： = ±(2 N + 1)π 即 ωτ = ±π , ± 3π , ± 5π , ⋯⋯
2010-12-13 13
六．有纯迟延环节时的整定方法
e − sτ G 因此，k (s) = k s 时，系统的根轨迹有无穷
∠s = ± (2 N + 1)180 − 57.3ωτ
2010-12-13
α
(7-50)
10
六．有纯迟延环节时的整定方法
根据(7-50)式就可以作出系统的根轨迹， 例如给出一个ω = ω1值就可以计算出根轨 迹上一点的幅角 ∠s = 180 − 57.3ω τ 然后从原点[的极点]作一条幅角为 ∠s1的 斜线，再作一条 ω = ω1 的水平线，两线相 jω s1 ，如图所示。 交的点就是 s
单回路控制系统整定
单回路控制系统整定一、实验目的（1） 掌握动态建模的创建方法。
（2） 掌握单回路控制系统的理论整定方法和工程整定方法。
（3） 了解调节器参数对控制品质的影响。
（4） .熟悉控制线性系统仿真常用基本模块的用法 二、实验仪器计算机一台、MATLAB 软件 三、实验内容：用SIMULINK 建立被控对象的传递函数为()41()101G x s =+，系统输入为单位阶跃，采用PID 控制器进行闭环调节。
①练习模块、连线的操作，并将仿真时间定为300 秒，其余用缺省值；②试用稳定边界法和衰减曲线法设置出合适的PID 参数，得出满意的响应曲线。
③设计M 文件在一个窗口中绘制出系统输入和输出的曲线，并加图解。
四、实验原理. PID （比例-积分-微分）控制器是目前在实际工程中应用最为广泛的一种控制策略。
PID 算法简单实用，不要求受控对象的精确数学模型。
．模拟PID 控制器典型的PID 控制结构如图所示。
. PID 控制规律写成传递函数的形式为s K sKiK s T s T K s U s E s G d p d i p ++=++==)11()()()( 式中，P K 为比例系数；i K 为积分系数；d K 为微分系数；ip i K K T =为积分时间常数；pdd K K T =为微分时间常数；简单来说，PID 控制各校正环节的作用如下：（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。
（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。
积分作用的强弱取决于积分时间常数i T ，i T 越大，积分作用越弱，反之则越强。
（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
五、实验步骤（1）启动计算机，运行MATLAB应用程序。
（2）在MATLAB命令窗口输入Smulink,启动Simulink。
单回路控制系统及调节器参数的工程整定实验报告2解读
单回路控制系统及调节器参数的工程整定实验报告.实验目的:1.熟悉UT350数字指示调节器的构造，并熟悉掌握UT350数字指示调节器的参数设置，运行操作。
了解UT350与上位机之间的通信。
2.熟悉用UT （或UP）调节仪和SAC-CCT3S自动控制实验仪组成单回路控制系统的方法。
3.掌握运用响应曲线和临界比例度法确定调节器的整定参数值。
4.学会根据系统的过渡过程曲线形状来调整调节器的比例度和积分时间，使系统满足品质指标要求。
5.进一步熟悉AX102记录仪的使用。
二.实验设备及仪器：计算机controlX2000系统或AX102记录仪UP350程序调节器或UT350数字指示调节仪SAC-CCT3S自动控制实验仪三.实验内容及步骤1.按照上图步骤，设置调节器输入,41（电压有效范围为1-5V，输出置2 （电流有效范围4-20MA ），置手动（A/M ），记录仪更新周期（扫描时间）为30s- 1min。
一观察飞升曲线（1）置输出sp=50%（改变上下键实现）。
待系统稳定后，加阶跃信号，当系统扫描时，将sp置为75%,观察记录波形（飞升曲线）实验记录波形（正阶跃曲线）如下：（2）置输出sp=50%,当系统扫描时，将sp置为25%,观察记录波形（飞升曲线）实验记录波形（负阶跃曲线）如下：2.PID 参数整定(1)将sp 调至50%，再按上图步骤，关闭I 参数、D 参数。
将P 参数调至 100%，对半减少PM (同时观察记录仪)直至记录仪上出现等幅震荡曲线，记 录此时的P 参数和T 实验数据记录如下： 出现等幅振荡时，P u 需6.7， T I $ 60s•畳■ fe ■* * ・•w\z 按工程整定PID 参数列表如下P（%）T T P2*6.7=13.4PI 2.2*6.7=14.740.85*60=51PID 1・7*6・7=11・390.5*60=300.125*60=7.5（2）在线修改P=50.7,l=9, D=2 （经验值），sp调至75% 观察记录仪上的曲线得正阶跃响应曲线图：Sp由75%下调至50%，负阶跃响应曲线图由正阶跃响应曲线可得震荡时，第一波峰值为80.9，第二波峰值76.3，衰减比为(80.9-75) / (76.3-75) 4.54 衰减率为 1-1/4.54 77.8%四.实验总结：1通过等幅震荡曲线得出的P：参数和由此计算出的PID参数与满足要求的实际参数差别还是很大的，由此可见工程整定，一定要以实际调节效果为依据，适当对理论数据进行修改和完善。
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单回路控制系统参数整定精编W O R D版IBM system office room 【A0816H-A0912AAAHH-GX8Q8-GNTHHJ8】课程设计报告( 2015-- 2016年度第2学期)名称：过程控制系统题目：单回路控制系统参数整定院系：班级：学号：学生姓名：指导教师：设计周数：第十七周成绩：日期：2016年6月23日《过程控制系统》课程设计任务书一、目的与要求1．掌握单回路控制系统整定方法；2．掌握PID参数对控制品质影响规律；3．运用相应软件开发单回路控制系统整定程序。
二、主要内容1．学习基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法；2．开发单回路控制系统PID参数整定程序；3．寻找不同PID参数对控制品质影响规律。
三、进度计划四、设计成果要求1．阐明基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法的基本原理；2．完整的、可运行的单回路控制系统PID参数整定程序；3．验证整定的PID参数下的控制效果，给出控制曲线图，同时给出其它PID参数下的控制曲线图，总结不同PID参数对控制品质影响规律。
五、考核方式1．设计报告；2．设计答辩。
二、设计（实验）正文1.学习基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法；1）经验法内容：经验法实际是一种试凑法，是在生产实践中总结出来的参数整定法，该法在现场中得到了广泛的应用。
利用经验法对系统的参数进行整定时，首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；若调节过程不满足要求，则修改调节器参数，再作阶跃扰动试验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。
实验步骤：(1) 首先将调节器的积分时间Ti置最大，微分时间Td置最小，根据经验设置比例带δ的数值，完成后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率则可，否则改变比例带δ的值，重复上述试验，直到满意为止；(2) 将调节器的积分时间Ti由最大调整到某一值，由于积分作用的引入导致系统的稳定性下降，因而应将比例带适当增大，一般为纯比例作用的1.2倍。
系统投入闭环运行，待系统稳定后，作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率则可，否则改变积分时间Ti的值，重复上述试验，直到满意为止；(3) 将调节器的微分时间由小到大调整到某一数值，系统投入闭环运行，待系统稳定后，作阶跃扰动试验，观察调节过程，修改微分时间重复试验，直到满意为止；2）临界比例带法内容：临界比例带法又称边界稳定法，首先将调节器设置成纯比例调节器，然后系统闭环投入运行，将比例带由大到小改变，观察系统输出，直到系统产生等幅振荡为止。
记下此状态下的比例带数值（即为临界比例带δk）和振荡周期Tk，然后根据经验公式计算调节器的其它参数。
实验步骤：(1) 将调节器的积分时间Ti置于最大，微分时间Td置最小，即Ti→∞，Td＝0；置比例带δ为一个较大的值；(2) 系统闭环投入运行，待系统稳定后调整比例带δ的数值直到出现等幅振荡。
记录并计算临界状态下临界比例带δcr和振荡周期Tcr，根据表2－1计算调节器的参数；(3)根据δcr和Tcr,由计算公式求得控制器的各个参数。
(4) 将调节器按计算出的参数设置好，系统闭环投入运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察系统的调节过程，适当修改参数，直到满意为止。
临界比例带法计算公式：减曲线法内容：衰减曲线法是在临界比例带法的基础上发展起来的，它既不象经验法那样要经过大量的试凑过程，也不象临界比例带法那样要求系统产生临界振荡过程。
它是利用比例作用下产生的4:1衰减振荡（ψ＝0.75）过程时的调节器比例带δs及衰减周期Ts，或10:1衰减振荡（ψ＝0.9）过程时的调节器比例带δs及过程上升时间tr，根据经验公式确定调节器的参数。
实验步骤：(1) 置调节器参数Ti→∞，Td＝0，比例带δ为一个较大的值，将系统投入闭环运行；(2) 待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察控制过程。
若ψ大于要求的数值，则逐步减小比例带δ并重复试验，直到出现ψ＝0.75或ψ＝0.9的控制过程为止，并记下此时的比例带δs；(3) 根据控制过程曲线求取ψ＝0.75衰减周期Ts或ψ＝0.9时的上升时间tr；(4) 计算调节器的参数δ、Ti、Td。
(5) 按计算结果设置调节器的参数，作阶跃扰动试验，观察调节过程，适当修改调节参数，直到满意为止。
衰减曲线法计算公式：4）响应曲线法内容：响应曲线法则是根据对象的阶跃响应曲线，求得对象的一组特征参数ε、τ（无自平衡能力的对象）或ε、ρ、τ（有自平衡能力的对象），然后按公式计算调节器的整定参数。
2.采用临界比例带法，开发单回路控制系统PID参数整定程序。
1).PID控制原理常规PID控制系统主要由PID控制器和被控对象组成。
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制。
控制器的输出和输入之间的关系可描述为：式中，P K为比例系数，i T为积分时间常数，d T为微分时间常数。
2)MATLAB编程实现设被控对象的数学模型为反馈环节为单位负反馈。
127.18.1)(230+++=SSSsG(1)置调节器参数Ti→∞，Td＝0，比例带δk为一个较大的值，将系统投入闭环运行；(2)系统闭环投入运行，待系统稳定后调整比例带δk的数值直到出现等幅振荡。
记录并计算临界状态下临界比例带δcr和振荡周期Tcr。
被控对象阶跃响应：G0=tf(1,[0.8,1.7,2,1]);G=feedback(G0,1);step(G)title('被控对象阶跃响应');grid on;调节Kp,直至出现等幅震荡。
G0=tf(1,[0.8,1.7,2,1]);P=3.25;axis([0 25 0 1.5]); %figure; hold onG=feedback(P*G0,1);step(G)grid on;记录此时δcr=1/3.25,Tcr=6.32-2.41=3.51s。
(3)根据δcr和Tcr,由计算公式求得控制器的各个参数。
δ= 1.7δcr=52.3%，Ti=0.5Tcr=1.775s,Td=0.125Tcr=0.44s。
(4)将调节器按计算出的参数设置好，系统闭环投入运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察系统的调节过程，适当修改参数，直到满意为止。
整定后阶跃响应曲线：G0=tf(1,[0.8,1.7,2,1]);Kp=1.91;Ti=1.775;Td=0.44;Gc=tf(Kp*[Ti*Td,Ti,1],[Ti,0]);axis([0 25 0 1.5]); %figure; hold onG=feedback(Gc*G0,1);step(G)grid on;适当调整参数，δ= 50%，Ti=2,Td=0.6s。
3). PID控制器参数对控制性能的影响(1)K取不同值时的阶跃响应G0=tf(1,[0.8,1.7,2,1]);Kp=[2:0.5:4]; Ti=2; Td=0.6;figure; hold onfor i=1.9:length(Kp)Gc=tf(Kp(i)*[Ti*Td,Ti,1],[Ti,0]);G=feedback(G0*Gc,1);step(G)endgrid on(2)Ti取不同值时的阶跃响应G0=tf(1,[0.8,1.7,2,1]);Kp=2; Ti=[1:0.5:3]; Td=0.6;t=0:0.1:20;figure; hold onfor i=1:length(Ti)Gc=tf(Kp*[Ti(i)*Td,Ti(i),1],[Ti(i),0]); G=feedback(G0*Gc,1);step(G)endgrid on(3)Td取不同值时的阶跃响应G0=tf(1,[0.8,1.7,2,1]);Kp=2; Ti=2; Td=[0.2:0.2:1.0];t=0:0.1:20;figure; hold onfor i=1:length(Td)Gc=tf(Kp*[Ti*Td(i),Ti,1],[Ti,0]);G=feedback(G0*Gc,1);step(G)endgrid on三、课程设计总结或结论PID控制器参数对控制性能的影响1)比例系数比例系数加大，偏差越小，但会引起被调量的来回波动，造成系统不稳定。
比例系数越小，可以使被调量变化平稳甚至没有超调，但稳态偏差会很大，而且调节时间较长。
2)积分时间常数积分时间常数太小会降低系统的稳定性，增大系统的振荡次数。
但是可以消除就静态误差。
3)微分时间常数微分控制作用只对动态过程起作用，而对稳态过程没有影响。
适当的微分作用可起到减小动态偏差，缩短控制过程时间的作用。
从PID控制器的控制效果看出要取得较好的控制效果，就必须合理的选择控制器的参数。
总之，比例控制主要用于偏差的“粗调”，保证控制系统的“稳”；积分控制主要用于偏差的“细调”，保证控制系统的“准”；微分控制主要用于偏差的“细调”，保证控制系统的“快”。
四、参考文献[1] 刘禾,白焰,李新利,《火电厂热工自动控制技术及应用》，中国电力出版社，2009。