单回路控制系统参数整定
单回路测控仪说明书
单回路测控仪说明书篇一：单回路数显控制仪说明书篇二：单回路控制系统参数整定课程设计报告( XX-- XX年度第2学期)名称：过程控制系统题目：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：XX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。
实验 6：气体压力 PID 单回路控制系统的设计与整定
实验6：气体压力PID单回路控制系统的设计与整定1、测试实验目的1）掌握压力PID单回路控制系统的常用方法。
2）熟悉压力PID单回路控制系统组态。
3）掌握压力PID控制器参数整定方法。
2、实验原理1）压力作用于单位面积上的垂直力，工程上称为压力，物理学中称为压强。
压力依据零点参考压力的不同，分为绝对压力、表压力、压力差、负压力（真空）和真空度。
绝对压力：以完全真空为零标准所表示的压力。
表压力：以大气压为零标准所表示的压力，等于高于大气压力的绝对压力与大气压力之差。
大气压力：一个标准大气压是在纬度45度，温度为0℃，重力加速度为9.80665m/s2海平面上，空气气柱重量所产生的绝对压力，其值是101325Pa。
压差：除大气压力以外的任意两个压力的差值。
负压：绝对压力小于大气压时，大气压力与绝对压力之差为负压。
负压的绝对值称为真空。
真空度：绝对压力小于大气压时的绝对压力。
压力测量常用的单位有：①帕斯卡（Pa），其物理意义是，1牛顿的力作用于1平方米的面积上的压强（力）。
工程中常用MPa表示压力，1 MPa=106 Pa，②工程大气压（kgf/cm2），垂直作用于每平方厘米面积上的力，以公斤数为计量单位。
工程上常用kg/cm2表示。
1 kgf/cm2=9.80665×105 Pa=0.980665 MPa。
③物理大气压（atm），即上面所述的标准大气压。
④毫米汞柱（mmHg）、毫米水柱（mmH2O），垂直作用于底面积上的水银柱或水柱的高度为计量单位。
1 atm=760 mmHg。
许多生产过程都是在不同的压力下进行的，有些需要很高的压力，例如，高压聚乙烯、合成氨生产过程等，有些需要很高的真空度。
压力是化学反应的重要参数，不但影响到反应平衡关系，也影响到反应速率。
生产过程中的其它参数也经常通过压力间接测量，例如，流量、液位、温度等可以转换为压力进行测量。
2）压力的测量压力（压差）的测量方法主要有，液体式、弹性式、活塞式、电动式（电感、电容、电位、应变、压电、霍尔、力平衡、电涡流等）、气动式、光学式（光纤、光干涉、光电、激光等）。
Honeywell-DCS-控制回路PID参数整定方法
Honeywell-DCS-控制回路PID参数整定方法Honeywell PKS系统控制回路PID参数整定方法鉴于目前一联合装置仪表回路自控率比较低，大部分的回路都是手动操作，这样不但增加了操作员的工作量，而且对产品质量也有一定的影响，特编制了此PID参数整定方法。
修改PID参数必须有“SUPV（班长）”及以上权限权限，具体权限设置切换方法如下；一、打开要修改的控制回路细目画面，翻到下图所示的页面（Loop Tune），修改PID控制回路整定的三个参数K，T1，T2；到强，对容量滞后有明显的作用，但是对纯滞后没有效果。
四、控制器的选择方法（1）P控制器的选择：它适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统；（2）PI控制器的选择：它适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统；（3）PID控制器的选择：它适用于负荷变化大，容量滞后较大，控制质量要求又很高的控制系统，比如温度控制系统。
五、PID参数整定的方法一般在工程应用中采用经验凑试法。
经验凑试法在实践中最为实用。
在整定参数时，必须认真观察系统响应情况，根据系统的响应情况决定调整那些参数。
观察系统响应效果，可以通过查看控制回路细目画面中的实时趋势曲线，衰减曲线最好是4：1，即前一个峰值与后一个峰值的比值为4：1。
经验值：在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改，这里的P代表比例度，P＝1/K。
总之，在整定时不能让系统出现发散振荡，如出现发散振荡，应立即切为手动，等系统稳定后减小放大倍数、增大积分时间或减小微分时间，重新切换到自动控制。
放大倍数越小，过渡过程越平稳，但余差越大。
放大倍数越大，过渡过程容易发生振荡。
积分时间越小，消除余差就越快，但系统振荡会较大，积分时间越大，系统消除余差的速度较慢。
微分时间太大，系统振荡次数增加，调节时间增加，微分太小，系统调节缓慢。
控制器参数凑试法的步骤：因为比例作用是基本的控制作用，因此，首先把比例度凑试好，待过渡过程已基本稳定，然后加积分作用消除余差，最后加入微分作用进一步提高控制质量，基本步骤如下：（A）对P控制器，将放大倍数放在较小的位置，逐渐增大K，观察被控量的过渡过程曲线，直到曲线满意为止；（B）对PI控制器，先置T1=0，按纯比例作用整定放大倍数使之达到4：1衰减曲线；然后将K缩小（10～20％），将积分时间T1由大到小逐步加入，直到获得4：1衰减过程；（C）对PID控制器，将T2＝0；先按PI作用凑试程序整定K，T1参数，然后将放大倍数增大到比原值大（10～20％）位置，T1也适当减小之后，再把T2由小到大逐步加入，观察过渡曲线，直到获得满意的过渡过程。
PID自动控制系统参数整定实验报告
T13. PID自动控制系统参数整定（化工仪表与自动化，指导教师：卢红梅）实验一：一阶单容上水箱对象特性测试实验实验二：上水箱液位PID整定实验一、实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
3）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
4）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
5）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
6）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
二、实验设备THKJ100-1型过程控制实验装置配置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。
型参数为串联釜数N三、实验原理实验一原理：阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过控制器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。
同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
实验二原理：图13.1单回路上水箱液位控制系统图13.1为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。
当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
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。
单回路控制系统设计
控制仪表的选择
(1) 仪表的选型——电动单元组合仪表(DDZ) (2) 测温元件与变送器：
热电阻温度计，三线制接法配温度变送器。
(3) 调节阀选型：选气动调节阀，且事故时要求不 要超温！
气关形式，流量特性选择？
(4)调节器: PI或PID。
控制仪表的选择
调节器的正反作用的确定:
由于调节阀为气关方式 因此KV 0 由于冷风量（控制量） 增加炉温（被控量）降 低，K0 0 通常传感器的增益为正 , Km 0
典型最佳调节过程 1 b
a
生产过程中的控制系 统多为恒值调节系统， 评定控制系统性能的常 用指标有稳态误差、最 大超调或超调率、衰减 率和过渡过程时间等。
在过程控制系统中更
多的采用衰减率 来表
示调节系统的稳定度。
工程上通常将 0.75的调节过程当作“典型最佳调节过程”
临界比例度法
一．临界比例度法（Ziegler-Nichols 稳定边界法）
F(s) Gf (s)
C(s)
Y (s) H (s)
系统输出与干扰之间的传递函数为：
C(S)
Gf (S)
F(S) 1 Gc (S)Gv (S)Gp (S)H (S)
假设：G
f
(S
)
K Tf s
f
1
干扰通道的影响
C(S)
1
• Kf
F(S) 1 Gc (S)Gv (S)Gp (S)H (S) Tf s 1
干扰通道的影响
干扰进入位置对控制质量的影响
F(s)
Gf (s)
R(s) E(s)
U (s)
Q(s)
GC (s)
Gv (s)
C(s) Gp (s)
单回路控制系统的调试
单回路控制系统
单回路控制系统的调试
1.2 调节器参数的工程整定
整定的任务：根据被控过程的特性，确定PID调节器
的比例度 、积分时间 TI以及微分时间 TD 的大小。
在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统 瞬态响应的衰减率 0.75 ~ 0.9为主要指标,以保证系统具 有一定的稳定裕量。另外还应满足系统稳态误差、最大动 态偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。
过程控制
单回路控制系统
单回路控制系统的调试
单回路控制系统的调试
1.1 控制系统的投运 1.2 调节器参数的工程整定
单回路控制系统
单回路控制系统的调试
单回路控制系统的调试
一旦控制系统按设计的要求连好，线路经过检查正确 无误，所有仪表经过检查符合精度要求并已运行正常 ，即可着手进行控制系统的调试，包括控制系统的投 运和调节器参数的整定。
单回路控制系统
单回路控制系统的调试
3.反应曲线法（动态特性参数法）
反应曲线法是利用系统广义过程的阶跃响应曲线 对调节器参数进行整定，是一种开环整定方法。
单回路控制系统
有自衡能力的广义被控过程
G(s) K es Ts 1
K y / ( ymax ymin ) x / (xmax xmin )
整定的实质就是通过调整调节器的参数，使其特性与被控
对象特性相匹配，来改善系统的动态和静态特性，以达到
最佳的控制效果。 理论计算整定法—— 要求已知过程的数学模型
整定方法
工程整定方法—— 一般不要求知道对象特性
单回路控制系统
单回路控制系统的调试
1.临界比例度法(闭环整定）
具体步骤：
1.首先将调节器的积分时间置于最大，微分时间置零，比例度置为较大的数值
单回路控制系统的PID调节解读
用传递函数表示为s T s E s s W d D ==
( ( (μ
1、若e(t为单位阶跃,则
d d D T s s T s W =⋅=1 ( ( (t T t d δμ=
由于阶跃信号在t=0时刻有一个阶跃,其他时刻均不变化所以微分环节对阶跃信号的响应只在t=0时产生一个响应脉冲。
自动控制仿真调试材料李军
山东电力研究院热控所
2010-7-29
单回路控制系统的PID调节
一、自动控制系统简介
(1自动控制:在没有人直接参与的情况下,利用控制器使被控对象的被控量
自动地按预先给定的规律去进行。
(2自动控制系统:是由起控制作用的自动控制装置和被控制器控制的生产设
备通过信号的传递、联系所构成的系统。简言之,就是指被控
t
μTd
（四）三种控制作用的比较图2-42过渡过程曲线曲线1是配比例控制器的控制过程。由于比例控制规律具有控制及时的特点，所以控制过程时间较曲线2短，动态偏差也较小，因此控制过程结束存在静态偏差。通过减小控制器的比例系数可减小静态偏差，但会使系统的稳定性下降。曲线3是配比例积分控制器的控制过程。由于积分控制规律能消除静态偏差，所以控制作用能最终消除扰动对被调量的影响，实现无差控制。然而积分作用的控制不及时，又使控制过程的动态偏差加大，过渡过程时间加长（与曲线1相比），相对而言系统的稳定性下降。因此，积分作用引入到比例控制器后，控制器的比例带应适当加大（减少Kp），以弥补积分作用对控制过程稳定性的影响。曲线5是配比例积分微分控制器的控制过程。微分控制是一种超前控制方式，其实质是阻止被控量的一切变化。适当的微分作用可收到减小动态偏差，缩短控制过程时间的效果，这样在采用比例积分微分控制器时，又可适当减小比例带和积分时间。三、三种基本控制作用小结优点比例作用缺点动作速度快，能使控制过程趋于稳定单独使用时，产生静态偏差单独使用时，会使控制过程变得振荡，甚至不稳定不能单独使用积分作用微分作用能使被控量无静态偏差能有效的减少动态偏差比例控制作用是最基本的控制作用，而积分和微分作用为辅助控制作用。比例作用贯彻于整个控制过程之中，积分作用则体现在控制过程的后期，用以消
第四节单回路控制系统
第四节单回路控制系统在热工生产过程控制中，最基本的且应用最多的单回路控制系统，其他各种复杂控制系统都是在单回路系统的基础上发展起来的，而且许多复杂控制系统的整定都利用了单回路控制系统的整定方法，可以说单回路控制系统是过程控制系统的基础。
一、单回路控制系统的组成及初步设计单回路控制系统的组成原理方框图如图3-44所示，它是仅有一个测量变送器，一个调节器和一个执行器（包括调节阀），连同被控对象组成的闭环负反馈控制系统。
图1-26 单回路控制系统组成原理方框图1、被调量的选择在图1-26中，被调量是表征生产过程是否符合工艺要求的物理量，在热工生产过程中主要是温度、压力、流量、化学成分等。
一般情况下，欲维持的工艺参数就是系统的被调量，如火力发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统的任务就是维持锅炉过热器出口蒸汽温度，所以汽温控制系统的被调量就是过热器出口汽温。
但是生产过程中，有些工艺参数目前还没有获得直接的快速测量手段，如火电厂进入磨煤机的原煤干燥程度的测量。
这种情况下往往采用间接测量手段，如采用磨煤机入口介质的温度来代表原煤的干燥程度。
以间接参数作为系统的被调量，要求被调量与实际所需维持的工艺参数之间为单值函数关系，否则要采取相应的补偿措施。
对于那些虽有直接测量手段，但所测得的信号过于微弱或迟延较大的情况，不如选用间接参数作为系统的被调量。
为提高测量的灵敏度，减小迟延，应采用先进的测量方法，选择合理的取样点，正确合理地安装检测元件。
2、控制量的选择选择什么样的控制量去克服扰动对被调量的影响呢？原则上是选择工艺上允许作为控制手段的变量作为控制量，一般不应选择工艺上的主要物料或不可控制的变量作为控制量。
例如：火力发电厂锅炉负荷控制系统，其被调量是主蒸汽压力，而影响主蒸汽压力的主要因素是汽轮机进汽量和锅炉燃料量，前者是电力生产要求所确定的，因而不能作为控制量，而只能选择燃料量作为控制量。
给定值 调节器 对象被调量 － μ 扰动 扰动 图1-28 单回路调节系统 3、控制通道和扰动通道单回路控制系统的组成如图1-27所示，图中W 01(s )为对象的传递函数，它是包括了检测元件、测量变送器、执行机构和调节阀在内的广义对象特性；W c (s )为调节器的传递函数，D 为扰动信号，W 02(s )为被调量与扰动信号间的传递函数。
控制器的参数整定
简单控制系统的参数整定:（摘自化学工业出版社《过程控制技术》）表7-1 控制规律选择参考表：表7-2 控制器参数的大致范围：当控制系统已经构成“负反馈”，并且控制器的控制规律也已经正确选定，那么控制系统的品质主要决定于控制器参数的整定值。
即如何确定最合适的比例度δ、积分时间Ti和微分时间Td。
控制器参数的整定方法很多，现介绍几种工程上常用的方法。
1．经验试凑法这是一种在实践中很常用的方法。
具体做法是：在闭环控制系统中，根据被控对象情况，先将控制器参数设在一个常见的范围内，如表7-2所示。
然后施加一定的干扰，以δ、Ti、Td对过程的影响为指导，对δ、Ti、Td逐个整定，直到满意为止，凑试的顺序有两种。
（1）先凑试比例度，直到取得两个完整的波形的过渡过程为止。
然后，把δ稍放大10％到20％，再把积分时间Ti由大到小不断凑试，直到取得满意波形为止。
最后再加微分，进一步提高质量。
在整定中，若观察到曲线振荡频繁，应当加大比例度（目的是减小比例作用）以减小振荡；曲线最大偏差大且趋于非周期时，说明比例控制作用小了，应当加强，即应减小比例度；当曲线偏离设定值，长时间不回复，应减小积分时间；如果曲线总是波动，说明振荡严重，应当加长积分时间以减弱积分作用；如果曲线振荡的频率快，很可能是微分作用强了，应当减小微分时间；如果曲线波动大而且衰减慢，说明微分作用小了，未能抑制住波动，应加长微分时间。
总之，一面看曲线，一面分析和调整，直到满意为止。
（2）是从表7-2中取Ti的某个值。
如果需要微分，则取Td=（1/3～1/4）Ti。
然后对δ进行凑试，也能较快达到要求。
实践证明，在一定范围内适当组合δ与Ti的数值，可以获得相同的衰减比曲线。
也就是说，δ的减小可用增加Ti的办法来补偿，而基本上不影响控制过程的质量。
所以，先确定Ti、Td再确定δ也是可以的。
2．衰减曲线法衰减曲线法比较简单，可分两种方法。
（1）4：1衰减曲线法当系统稳定时，在纯比例作用下，用改变设定值的办法加入阶跃扰动，观察记录曲线的衰减比。
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；
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。
单回路控制实验报告
实验三单回路控制系统组员:实验时间：2014.4.11、实验名称：液位单回路自动控制系统2、实验目的：1、通过实际构建、运行一个液位单回路控制系统，更深入理解一个工业自控系统的工作原理和投运步骤；2、掌握控制系统的调整方法—工程参数整定；三、实验设备：A3000过程控制实验装置中的二级水箱系统，PC机及工业组态软件；4、控制系统的要求：1、被控参数（液位）能保持在期望值上，并抵御一定的外部扰动，满足生产的质量与安全的要求（有报警，操作限制等）；2、一个一般的工业控制系统多是一个包含基本控制回路系统，并附加其它设备的复合系统。
五、实验内容：①通过信号连线，构建一个液位单回路控制系统；②启动计算机，运行实验软件；实验设备加电、开泵，手动操作系统达到稳定，进行手动->自动的无扰动切换；③采用工程参数整定方法，寻找满足控制要求的控制器参数（P、I、D ）；④进行测试，判断系统是否满足希望的控制质量要求─较快地实现平稳（如4~10:1的衰减过程)；⑤测试应以随动（内部扰动）和定值（外部扰动）两种情况验证。
输出值输出值LT1 02FV101先不连化，具体先向哪个方向变化取决于当时的水位高度。
理想的工作点是水箱的中间位置。
每次变化后要等到系统确实稳定后再向相反方向变化。
(3)若结果不满意应进一步试探。
将比例度P 分别改为50%、30% ，每改变一次P ，都应在设定值加干扰进行测试，观察过渡过程曲线的变化，直至到更接近4 : 1 衰减振荡过程，记下对应的P 值；(4)以该比例度为基础，将比例度P乘以1.2倍，并以P所对应的曲线振荡周期（两个波峰之间的时间）的一半时间为积分时间Ti，控制器为PI（比例+积分）作用；⑸在此PI参数下再次改变设定值，测试控制器的PI参数是否满足要求，即控制的效果和质量。
若不合适还可对PI参数再作调整，直至达到要求。
⑹若有时间，可根据前面的P，查表得到P、I、D作用，使控制器成为P+I+D的三作用控制器。
单回路控制系统实验(过程控制实验指导书)
单回路控制系统实验单回路控制系统概述实验三单容水箱液位定值控制实验实验四双容水箱液位定值控制实验实验五锅炉内胆静（动）态水温定值控制实验实验三实验项目名称：单容液位定值控制系统实验项目性质：综合型实验所属课程名称：过程控制系统实验计划学时：2学时一、实验目的1．了解单容液位定值控制系统的结构与组成。
2．掌握单容液位定值控制系统调节器参数的整定和投运方法。
3．研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。
4．了解P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位控制的作用。
5．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验内容和（原理）要求本实验系统结构图和方框图如图3-4所示。
被控量为中水箱（也可采用上水箱或下水箱）的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。
将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制中水箱液位的目的。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。
三、实验主要仪器设备和材料1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、计算机一台、万用表一个；2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；3．SA-44挂件一个、CP5611专用网卡及网线、PC/PPI通讯电缆一根。
四、实验方法、步骤及结果测试本实验选择中水箱作为被控对象。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7、F1-11全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度，其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤按二种方案分别叙述。
（一）、智能仪表控制1．按照图3-5连接实验系统。
将“LT2中水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
图3-4 中水箱单容液位定值控制系统(a)结构图(b)方框图图3-5 智能仪表控制单容液位定值控制实验接线图2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动调节阀上电。
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。
实验七SIMULINK仿真单回路控制系统及PID控制器参数整定
实验七 SIMULINK 仿真——单回路控制系统及PID 控制器参数整定一、实验目的及要求：1.熟悉SIMULINK 工作环境及特点；2.熟悉控制线性系统仿真常用基本模块的用法；3.掌握SIMULINK 的建模与仿真方法。
二、实验内容：用SIMULINK 建立被控对象的传递函数为11010)(23+++=s s s x G ，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（过程控制P5工程整定法之一）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。
三、实验报告要求：①阐述用SIMULINK 进行控制系统仿真的一般过程；②说明用工程整定法——稳定边界法整定PID 参数的过程。
M文件denz=[10];numz=[1 1 10 1];sysz=tf(denz,numz)%传递函数denk=[0 0.539];numk=[0 1];deni=[0 2];numi=[1 0];dend=[0.25 0];numd=[0 1];sysk=tf(denk,numk)%p调节器sysi=tf(deni,numi)%I调节器sysd=tf(dend,numd)%D调节器[denki,numki]=parallel(denk,numk,deni,numi);%P调节器与I调节器相并联[denpid,numpid]=parallel(dend,numd,denki,numki);%PI调节器与D调节器相并联组成PID调节器syspid=tf(denpid,numpid)[denkh,numkh]=series(denpid,numpid,denz,numz);%PID与传递函数串联组成开环控制系统syskh=tf(denkh,numkh)[denbh,numbh]=feedback(denkh,numkh,1,1,-1);%组成单位负反馈闭环系统sysbh=tf(denbh,numbh)t=0:0.1:300;%加入0到300的仿真时间，步进值为0.1subplot(2,1,1)plot(t,1,'b')%显示单位阶跃函数subplot(2,1,2)step(sysbh,t)%显示闭环系统对于单位阶跃函数的响应函数曲线。
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单回路控制系统参数整定Last revision on 21 December 2020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：3）衰Array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＝）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＝）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＝或ψ＝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＝衰减周期Ts或ψ＝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。
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。
(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,[,,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,[,,2,1]); P=;axis([0 25 0 ]); % figure; hold on G=feedback(P*G0,1); step(G) grid on;127.18.01)(230+++=S S S s G记录此时δcr=1/,Tcr=。
(3)根据δcr和Tcr,由计算公式求得控制器的各个参数。
δ= δcr=%，Ti==,Td==。
(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,[,,2,1]);Kp=;Ti=;Td=;Gc=tf(Kp*[Ti*Td,Ti,1],[Ti,0]);axis([0 25 0 ]); %figure; hold onG=feedback(Gc*G0,1);step(G)grid on;适当调整参数，δ= 50%，Ti=2,Td=。
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,[,,2,1]);Kp=[2::4]; Ti=2; Td=;figure; hold onfor i=: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,[,,2,1]);Kp=2; Ti=[1::3]; Td=;t=0::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,[,,2,1]);Kp=2; Ti=2; Td=[::];t=0::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。