过程控制系统设计

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

1681)(3000+=

+=--s e s T e k s G s

s τ P 0=

%5.12%1001

=⨯k P=1.1

00

P T τ=4.4% T i =3.30τ=9.9s

2、PID 控制参数 P=0.85

00

P T τ=3.4% T i =20τ=6s T d =0.50τ=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T i =∞,T d =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P m=2.062,T m=10.406s。

P=2.2P m=4.54% T i=0.85T m=8.85s

2、PID控制参数

P=1.7P m=3.51%T i=0.50T m=5.2s T d=0.125 T m=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T i=∞,T d=0，不断调节K p，使过渡过程达到4:1至10:1的衰减比。

2、将获得的K p缩小10%-20%，T i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K p增大10%-20%，T i适当缩短后，逐步调节T d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K p 的大致范围，再经过重复试验可得

K p =P

1

=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K p 减小后重复调节T i ，此时系统衰减比为6.17:1，K p =P

1

=0.243，T i =7.874s （图9）。

图9-积分作用调节

3、适当增大K p ，缩短T i 后重复调节T d ,此时衰减比为11.15:1，K p =P

1

=0.255，T i =7.843s ，T d =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T i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①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；②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。