单回路控制综合系统整定.doc

单回路控制系统整定

一、实验目
（1） 掌握动态建模创立办法。
（2） 掌握单回路控制系统理论整定办法和工程整定办法。
（3） 理解调节器参数对控制品质影响。
（4） .熟悉控制线性系统仿真惯用基本模块用法
二、实验仪器
计算机一台、MATLAB软件
三、实验内容：
用SIMULINK建立被控对象传递函数为，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、连线操作，并将仿真时间定为300 秒，别的用缺省值；
②试用稳定边界法和衰减曲线法设立出适当PID参数，得出满意响应曲线。
③设计M文献在一种窗口中绘制出系统输入和输出曲线，并加图解。
四、实验原理
. PID（比例-积分-微分）控制器是当前在实际工程中应用最为广泛一种控制方略。PID算法简朴实用，不规定受控对象精准数学模型。
．模仿PID控制器
典型PID控制构造如图所示。

比 例
积 分
微 分
对象模型
PID控制器
r(t)
y(t)
u(t)
e(t)

. PID控制规律写成传递函数形式为

式中，为比例系数；为积分系数；为微分系数；为积分时间常数；为微分时间常数；简朴来说，PID控制各校正环节作用如下：
（1）比例环节：成比例地反映控制系统偏差信号偏差一旦产生，控制器及时产生控制作用，以减少偏差。
（2）积分环节：重要用于消除静差，提高系统无差度。积分作用强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。
（3）微分环节：反映偏差信号变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一种有效初期修正信号，从而加快系统动作速度，减少调节时间。

五、实验环节
（1）启动计算机，运营MATLAB应用程序。
（2）在MATLAB命令窗口输入Smulink,启动Simulink。
（3）在Simulink库浏览窗口中，单击工具栏中新建窗口快捷按钮或在Simulink库窗口中选取菜单命令FileNewModeel,打开一种标题为“Untitled”空白模型编辑窗口。
（4）用鼠标双击信号源模块库（Source）图标，打开信号源模块库，将光标移动到阶跃信号模块（Step）图标上，按住鼠标左键，将其拖放到空白模型编辑窗口中。用鼠标双击附加模块库（Simulink Extra）图标，打开Additional Liner模块库，将光标移动到PID Conttroller图标上，按住鼠标左键，将其拖放到空白模型编辑窗口中。
（5用同样办法从数学运算模块库(Math Operations)、持续系统模块库(Continuous)和接受模块库(Sinks)中，中把传递函数模块(Transfer Fcn)示波器模块(Scope)和加法器模块（）Sum）拖放到空白模型编辑窗口中。
（6）用鼠标单击一种模块输出端口并用鼠标拖放到另一模块输入端口，完毕模块间连接，若需要画支线时，把光标移到有向线段任意点处，按下“Ctrl”键同步按下鼠标左键，拖动鼠标到所需模块。
（7）构造图1所示单回路反馈系统仿真模型，其中控制对象由子系统创立，如图2

图1

图2
示，创立子系统办法是：用鼠标选定待构成子系统各个模块，涉及它们之间连接线，单击鼠标右键再单击Create Subsystem即可。
（8）设调节器为比例调节器，对象传递函数为：(其中)，用广义频率特性法按衰减率0.75 计算调节器参数；依照 计算成果设立PID调节器参数，启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出变化曲线。
（9）用响应曲线法整定调节器参数。
①求出对象阶跃响应曲线。
②依照响应曲线求取对象动态特性参数。
③按表1计算调节器参数，并依照计算成果设立PID调节器参数。
④启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出变化曲线。
（10）用临界曲线法整定调节器参数。
①先将调节器改成纯比例作用（使），并将比例增益置于较小数值，然后将系统投入闭环运营。启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出变化曲线。逐渐增长比例增益，观测不同比例增益下调节过程，直到调节过程浮现等幅振荡为止，记录此时比例带 和系统临界振荡周期 。
②依照求得和，由表2可求得调节器整定参数。
③将调节器参数设立好，作系统定值阶跃扰动实验，观测控制过程，并依照响应曲线恰当修改整定参数。
（11）用衰减曲线法整定调节器参数。
①先将调节器改成纯比例作用，并将比例增益置于较小数值，然后将系统投入闭环运营。启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出变化曲线。逐渐增长比例增益，观测不同比例②增益下调节过程，直到调节过程浮现衰减率为0.75振荡为止，记录此时比例带和系统临界振荡周期。

由表3可求得调节器整定参数。
将调节器参数设立好，作系统定值阶跃扰动实验，观测控制过程，恰当修改整定参数，直到控制过程满意为止。

表4-3 临界曲线法整定参数计算表

控制规律
调节器参数

P
2

PI
2.2
0.85

PID
1.67
0.5

表4-4 衰减曲线法整定参数计算表
控制规律
调节器参数

P
2

PI
1.2
0.5

PID
0.8
0.3
0.1
六、实验曲线及数据解决、，
1）临界曲线法
将调节器改成纯比例积分，即=0，=0。调节到浮现等幅震荡，此时。 如图3。

图3
由图可知= =0.25，
又由临界曲线法整定参数计算表及如下公式关系
， ，
得到调节器参数：=2.4，=0.0727，=19.8
修改PID 参数得到曲线图4

图4
(2) 衰减曲线法
将调节器改成纯比例积分，=0，=0。调节直到调节过程衰减率为0.75震荡为止，此时。如图5

图5
由图可知=0.535，=78s
由衰减曲线法整定参数计算表及如下公式关系
， ，
得到调节器参数：=2.33， =0.09996， =18.174
修改PID 参数得到曲线图6

图6
七、实验总结
1、P控制规律控制及时但不能消除余差，I控制规律能消除余差但控制不及时且普通不单独使用，D控制规律控制很及时但存在余差且不能单独使用。
2、比例系数越小，过渡过程越平缓，稳态误差越大；反之，过渡过程振荡越激烈，稳态误差越小；若Kp过大，则也许导致发散振荡。
Ti越大，积分作用越弱，过渡过程越平缓，消除稳态误差越慢；反之，过渡过程振荡越激烈，消除稳态误差越快。
Td越大，微分作用越强，过渡过程趋于稳定，最大偏差越小；但Td过大，则会增长过渡过程波动限度。
3、。PID控制器校正后系统响应速度最快，但超调量最大。

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过程控制系统实验报告书

实验名称 单回路控制系统整定
专 业 自动化专业
班 级
指引教师
姓 名
学 号

实验日期