过程控制系统课程设计心得【模版】

一、设计目的与要求：

了解并掌握单回路控制系统的构成和控制原理。了解PID参数整定的基本方法，如Ziegler-Nichols整定方法、临界比例度法或衰减曲线法。学会用matlab中的Simulink仿真系统进行PID参数整定。

二、设计正文：

在热工生产过程中，最简单、最基本且应用最广泛的就是单回路控制系统，其他各种复杂系统都是以单回路控制系统为基础发展起来的。

单回路控制系统的组成方框原理图如图1所示，它是由一个测量变送器、一个控制器和一个执行器（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、单回路控制系统组成原理方框图

控制器的参数整定可分为理论计算法和工程整定法。理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特性，通过理论计算求得控制器的动态参数设定值。这种方法较为复杂繁琐，使用不方便，计算也不是很可靠，因此一般仅作为参考；而工程整定法，则是源于理论分析、结合实验、工程实际经验的一套工程上的方法，较为简单，易掌握，而且实用。常用的工程整定法有经验法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法等等，本设计中主要是应用Ziegler-Nichols整定方法来整定控制器的参数。

参数整定的基本要求如下所述：

1、通过整定选择合适的参数，首先要保证系统的稳定，这是最基本的要求。

2、在热工生产过程中，通常要求控制系统有一定的稳定裕度，即要求过程有一定的衰减比，一般要求4：1~10：1。

3、在保证稳定的前提下，要求控制过程有一定的快速性和准确性。所谓准确性就是要求控制过程的动态偏差和稳态偏差尽量地小，而快速性就是要求控制时间尽可能地短。

总之，以稳定性、快速性、准确性去选择合适的参数。

目前工程上应用最广泛的控制是PID控制，这种控制原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性强，其控制品质对被控对象的变化不太敏感。

（1）比例控制（P控制）：G c(s)=K p=1/δ；

（2）比例积分控制（PI控制）：G c(s)=K p(1+1/T I s)=1/δ(1+1/T I s)；

（3）比例积分微分控制（PID控制）：G c(s)=K p(1+1/T I s+T D s)。

Ziegler-Nichols法是一种基于频域设计PID控制器的方法，根据给定对象的瞬态响应来确定PID控制器的参数。如果单位阶跃响应曲线看起来是一条S形的曲线，则可用如下传递函数近似：

)()(s R s C =1

+-Ts Ke Ls

利用延迟时间L 、放大系数K 、和时间常数T ，根据表1中的公式确定K p 、T I 、T D 的

例：如图所示的控制系统：

系统的开环传递函数G 0(s)=1/(s+1)6，采用Ziegler-Nichols 法整定系统P 、PI 、PID 控制器的参数，并绘制系统的阶跃响应曲线。

用最小二乘拟合方法求出该传递函数的一阶延迟近似模型，程序如下： function [K,L,T]=getfold(G) [y,t]=step(G);

fun=inline('x(1)*(1-exp(-(t-x(2))/x(3))).*(t>x(2))','x','t'); x=lsqcurvefit(fun,[1 1 1],t,y);K=x(1);L=x(2);T=x(3)；

在命令窗口输入： s=tf('s');G=1/(s+1)^6; [K,L,T]=getfold(G);

得出：K=1.0542,L=3.1621,T=3.5147;

则系统的一阶延迟模型近似为：G 0(S)=1

5147.30542.11621.3+-s e s

；

继续输入：s=tf('s');G=1/(s+1)^6;

K=1.0542;T=3.5147;L=3.1621;a=K*L/T

Kp=1/a %P 控制 Kp=0.9/a,TI=3*L %PI 控制 Kp=1.2/a,TI=2*L,TD=0.5*L %PID 控制

得：a=0.9484 Kp=1.0544

Kp=0.9489 TI=9.4863

Kp=1.2652 TI=6.3242 TD=1.5811 则，所设计的控制器模型为： P 控制：G C (S)=1.0544

PI 控制：G C (S)=0.9489(1+1/9.4863s)

PID控制：G C(S)=1.2652(1+1/6.3242s+1.5811s)。

建立如图所示的Simulink仿真模型：

将Kp值置1，把反馈连线，微分器的输出连线，积分器的输出连线都断开，选定仿真时间，可得出系统开环的单位阶跃响应曲线：

P控制时，将Kp设为1.0544，将反馈连线连上，仿真运行，得到响应曲线：

PI控制时，将Kp设为0.9489，TI设为9.4863，将积分器的输出连线连上，仿真运行得出响应曲线：

PID控制时，将Kp设为1.2652，TI设为6.3242，TD设为1.5811，将微分器的输出连线连上，运行仿真得出响应曲线：

将三种控制下的响应曲线可以看出，P控制和PI控制两者的响应速度基本相同，因为这两种控制的比例系数不同，因此系统稳定的输出值不同，PI控制的超调量比P控制的要小，PID控制比P控制和PI控制的响应速度快，但是超调量大些。

通过变化各项参数的大小可以总结出以下几条基本的PID参数整定规律：

1、增大比例系数一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变差。

2、增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。

3、增大微分时间有利于加快系统的响应速度，使系统的超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。

三、设计心得体会：

通过这次的设计实验，我进一步巩固了书本中所学的单回路控制相关的内容，掌握了有关PID控制的相关知识和内容。同时学会了用Ziegler-Nichols方法整定PID控制器的各种参数，用Matlab中的Simulink仿真系统求出系统的阶跃响应曲线，收获很大。

四、参考文献：

1、《控制系统计算机辅助设计—MA TLAB语言与应用》（第二版）；

薛定宇；清华大学出版社

2、《火电厂热工自动控制技术及应用》；刘禾白焰李新利；中国电力出版社

3、《过程控制与Simulink应用》；王正林郭阳宽；电子工业出版社