PID仿真實(shí)驗(yàn)2016(DOC)

1、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握 PID 控制規(guī)律及控制器實(shí)現(xiàn)。2. 掌握用 Simulink 建立 PID 控制器及構(gòu)建系統(tǒng)模型與仿真方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備計(jì)算機(jī)、MATLA 軟件三、實(shí)驗(yàn)原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器中最常用的控制規(guī)律是PID 控制。PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏差。PID 控制規(guī)律寫成傳遞函數(shù)的形式為E(s)1KiG(s)Kp(1TdS)二KpKdSU (s)TissKK式中，KP為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)；Ti-為積分時(shí)間常數(shù)；Td-為微分時(shí)間常數(shù)；簡KiKp單來說，PID 控制各校正環(huán)節(jié)的作用如下：(1)比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系

2、統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。(2)積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti,Ti越大，積分作用 越弱，反之則越強(qiáng)。(3)微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早 期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。四、實(shí)驗(yàn)過程1、 在 MATLAB 命令窗口中輸入“ simulink ”進(jìn)入仿真界面。2、 構(gòu)建 PID 控制器：(1)新建 Simulink 模型窗口(選擇File/New/Model ”)，在 Simulink Library Browser 中

3、將需要的模塊拖動(dòng)到新建的窗口中，根據(jù) PID 控制器的傳遞函數(shù)構(gòu)建出如下模型：各模塊如下：Math Operations 模塊庫中的 Gain 模塊，它是增益。拖到模型窗口中后，雙擊模塊，在彈出的對話框中將Gain分別改為Kp 、 Ki、 Kd表示這三個(gè)增益系數(shù)。Continuous 模塊庫中的 Integrator 模塊，它是積分模塊；Derivative 模塊，它是微分模塊。Math Operatio ns 模塊庫中的 Add 模塊，它是加法模塊，默認(rèn)是兩個(gè)輸入相加，雙擊該模塊，將List of Sig ns框中的兩個(gè)加號(+)后輸入一個(gè)加號(+),這樣就改為了三個(gè)加號，用來表示三個(gè)信號的

4、疊加。Ports & Subsystems 模塊庫中的 In1 模塊(輸入端口模塊)和 Out1 模塊(輸出端口模塊)。實(shí)驗(yàn) 1 閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)PID 控制算法仿真(2)將上述結(jié)構(gòu)圖封裝成PID 控制器。1創(chuàng)建子系統(tǒng)。選中上述結(jié)構(gòu)圖后再選擇模型窗口菜單Edit/Creat Subsystem ”2圭寸裝。選中上述子系統(tǒng)模塊，再選擇模型窗口菜單Edit/Mask Subsystem ”3根據(jù)需要，在封裝編輯器對話框中進(jìn)行一些封裝設(shè)置，包括設(shè)置封裝文本、對話框、圖標(biāo)等。本次試驗(yàn)主要 需進(jìn)行以下幾項(xiàng)設(shè)置：Icon （圖標(biāo)）項(xiàng)：“ Drawi ng comma nds ”編輯框中輸入di

5、sp（ PlD ”，如下上圖示：Parameters（參數(shù)）項(xiàng)：創(chuàng)建 Kp,Ki,Kd 三個(gè)參數(shù)，如下圖示:至此，PID 控制器便構(gòu)建完成，它可以像Simulink 自帶的那些模塊一樣，進(jìn)行拖拉，或用于創(chuàng)建其它系統(tǒng)。3、搭建一單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示:KiKia di tKd.a d. tpm10r IU1値+珊空+2陸+3匪+磯icon Fa-JWF ITSUIil 0JEOTB.O1P t.X OTk!SXiriii七1 rl 1E-a.! i1 OFk,D o iCKurn-e-ix5* 11：1*11乂 # 工*iff：|Uixm duk工-Z OX1LX n. di3L1O C：

6、UfufaS ulv ary arI- uK.1Ofi t. i.OXLSorE.w o t. dL pALI：F ppp 2 fozx亡PP3TXi rt-iyITULTI.EF7!D o- fun亡Tkt_ j&./t i oiriD i aT. o c?壓工an t七e-r 3所需模塊及設(shè)置： Sources 模塊庫中 Step 模塊；Sinks 模塊庫中的 Scope 模塊；Commonly Used Blocks 模塊庫中的 Mux5、雙擊 PID 模塊，在彈出的對話框中可設(shè)置PID 控制器的參數(shù) Kp,Ki,Kd :模塊；Continuous 模塊庫中的 Zero-Pole

7、 模塊。Step 模塊和 Zero-Pole 模塊設(shè)置如下:4、構(gòu)建好一個(gè)系統(tǒng)模型后，就可以運(yùn)行，觀察仿真結(jié)果。運(yùn)行一個(gè)仿真的完整過程分成三個(gè)步驟：設(shè)置仿真參數(shù)、啟動(dòng)仿真和仿真結(jié)果分析。選擇菜單Simulation/Confiuration Parameters ”，可設(shè)置仿真時(shí)間與算法等參數(shù)，如下圖示:5、雙擊 PID 模塊，在彈出的對話框中可設(shè)置PID 控制器的參數(shù) Kp,Ki,Kd :其中默認(rèn)算法是 ode45 （四/五階龍格-庫塔法），適用于大多數(shù)連續(xù)或離散系統(tǒng)。設(shè)置好參數(shù)后，單擊Simulation/Start ”運(yùn)行仿真，雙擊Scope 示波器觀察輸出結(jié)果，并進(jìn)行仿真結(jié)果分析。比較

8、以下參數(shù)的結(jié)果：（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4（2）Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.5（ 3）Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.76、 以 Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4 這組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，改變其中一個(gè)參數(shù)，固定其余兩個(gè)，以此來分別討論Kp,Ki,Kd 的作用。7、分析不同調(diào)節(jié)器下該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線（1）P 調(diào)節(jié) Kp=8 （2）PI 調(diào)節(jié) Kp=5,Ki=2（ 3）PD 調(diào)節(jié) Kp=8.5,Kd=2.5 （ 4）PID 調(diào)節(jié) Kp=7.5,Ki=5,Kd=3五實(shí)驗(yàn)曲線及數(shù)據(jù)處理把實(shí)驗(yàn)曲線記錄下來，并分析不同參數(shù)下的變化情況。六.總結(jié)1、P 控制規(guī)律控制及時(shí)但不

9、能消除余差，I 控制規(guī)律能消除余差但控制不及時(shí)且一般不單獨(dú)使用，D 控制規(guī)律控制很及時(shí)但存在余差且不能單獨(dú)使用。2、比例系數(shù)越小，過渡過程越平緩，穩(wěn)態(tài)誤差越大；反之，過渡過程振蕩越激烈，穩(wěn)態(tài)誤差越小；若Kp過大,則可能導(dǎo)致發(fā)散振蕩。Ti越大，積分作用越弱，過渡過程越平緩，消除穩(wěn)態(tài)誤差越慢；反之，過渡過程振蕩越激烈，消除穩(wěn)態(tài)誤差越快。Td越大，微分作用越強(qiáng)，過渡過程趨于穩(wěn)定，最大偏差越?。坏玊d過大，則會增加過渡過程的波動(dòng)程度。3、P 和 PID 控制器校正后系統(tǒng)響應(yīng)速度基本相同（調(diào)節(jié)時(shí)間ts近似相等），但是 P 控制器校正產(chǎn)生較大的穩(wěn)態(tài)誤差，而 PI 控制器卻能消除余差，而且超調(diào)量較小。PID

10、 控制器校正后系統(tǒng)響應(yīng)速度最快，但超調(diào)量最大。小知識PID 常用口訣：參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查，先是比例后積分，最后再把微分加，曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大，曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳，曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降，曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間再加長，曲線振蕩頻率快，先把微分降下來，動(dòng)差大來波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長，理想曲線兩個(gè)波，前高后低4 比 1。離心泵恒流量控制系統(tǒng)采用比例積分控制規(guī)律（P1D）對離心泵流量進(jìn)行控制。比例積分控制規(guī)律是比例與積分兩.實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 測定離心泵恒流量控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下，離心泵出口流量的過渡過程，利用最大偏差、余差、衰減比、振蕩 周期和過渡時(shí)間等參數(shù)

11、評價(jià)離心泵恒流量控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。2掌握比例度 P、積分時(shí)間 I 參數(shù)在流量控制系統(tǒng)中的作用和對過渡過程品質(zhì)指標(biāo)的影響。、實(shí)驗(yàn)裝置過程設(shè)備與控制多功能實(shí)驗(yàn)臺 三、實(shí)驗(yàn)原理離心泵恒流量控制系統(tǒng)圖如圖1 所示，控制過程如圖 2 所示。圖 2 離心泵恒流量控制過程安裝在離心泵出口管路上渦輪流量傳感器TT 將離心泵出口流量轉(zhuǎn)換成脈沖信號，其脈沖頻率經(jīng)頻率 /電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號后輸出至流量調(diào)節(jié)器TC, TC 將流量信號與流量給定值比較后，按 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律輸出 4 20mA 信號，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥改變調(diào)節(jié)閥的開度，達(dá)到恒定離心泵出口流量的目的。離心泵恒流量控制系統(tǒng)方框圖如圖3 所示?？刂茀?shù)如下

12、：1.控變量 y：離心泵出口流量 Q。2.定值（或設(shè)定值）ys :對應(yīng)于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值，在本實(shí)驗(yàn)中取1.5 L/s 。3.測量值 ym 由傳感器檢測到的被控變量的實(shí)際值，在本實(shí)驗(yàn)中為離心泵出口流量值Q4.操縱變量（或控制變量）：實(shí)現(xiàn)控制作用的變量，在本實(shí)驗(yàn)中為離心泵出口流量。使用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器對離心 泵出口流量進(jìn)行控制。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸入信號范圍： 4 20mA 輸出：閥門開度 0-16mmt5.干擾（或外界擾動(dòng)）f :干擾來自于外界因素，將引起被控變量偏離給定值。在本實(shí)驗(yàn)中采用突然改變離心泵轉(zhuǎn)速的 方法，改變離心泵出口壓力，人為模擬外界擾動(dòng)給控制變量造成干擾。6.偏差信號

13、e 被控變量的實(shí)際值與給定值之差，e=ys-ym y m-離心泵出口流量值 Q。y s-離心泵出口流量設(shè)實(shí)驗(yàn) 2 離心泵恒流量控制實(shí)驗(yàn)離心泵恒流量控制系統(tǒng)為單回路簡單控制系統(tǒng),EL3廠圖 i 離心泵恒流量控制系統(tǒng)圖離心泵恒流量控制系統(tǒng)采用比例積分控制規(guī)律（P1D）對離心泵流量進(jìn)行控制。比例積分控制規(guī)律是比例與積分兩定值。7 .控制信號 u 工業(yè)調(diào)節(jié)器將偏差按一定規(guī)律計(jì)算得到的量。假定在時(shí)間 t=0 之前，系統(tǒng)穩(wěn)定，且被調(diào)參數(shù)-離心泵的出口流量 Q 等于設(shè)定值。若在 t=0 時(shí)刻，外加壓力階躍干擾,離心泵出口壓力開始變化并按衰減振蕩的規(guī)律經(jīng)過一段時(shí)間后，離心泵出口流量逐漸趨于穩(wěn)定。完成了一次過渡

14、過程。四、 實(shí)驗(yàn)步驟1.將流量表設(shè)定值設(shè)為：SV=2.0 L/s，P=300, 1=4 ；2. 開動(dòng)冷水泵，關(guān)閉出口截止閥或出口球閥3. 調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)旋鈕，使壓力表顯示值為0.45Mpa ；4. 調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)旋鈕，使流量表顯示值為2.0 L/s ；5. 按下流量表下的自動(dòng)按鈕；當(dāng)流量穩(wěn)定后，鼠標(biāo)點(diǎn)擊清空數(shù)據(jù)庫，鼠標(biāo)點(diǎn)擊記錄數(shù)據(jù)，開始記錄數(shù)據(jù)；6. 調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)旋鈕使壓力改變0.05Mpa 左右，造成人為干擾，觀察流量恢復(fù)過程；7. 退出組態(tài)王，運(yùn)行數(shù)據(jù)處理程序，觀察溫度變化曲線。五、 計(jì)算過渡過程質(zhì)量指標(biāo)1 最大偏差 A:被調(diào)參數(shù)的最大值。2余差e(:):當(dāng)過渡過程終了時(shí)，被調(diào)參數(shù)所達(dá)到的新的

15、穩(wěn)態(tài)值與給定值之差。3衰減比 n：過渡過程曲線上同方向的相鄰兩個(gè)波峰之比，一般n 取 410 之間為宜。4 振蕩周期：過渡過程同向兩波峰(或波谷)之間的間隔時(shí)間叫振蕩周期或工作周期，在衰減比相同的情況下，周期與過渡時(shí)間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。5過度時(shí)間 ts :從干擾作用發(fā)生的時(shí)刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時(shí)止，過渡過程所經(jīng)歷的時(shí)間。六、 要求1 寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。2 回答思考題。思考題種控制規(guī)律的組合，理想的 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:1.離心泵恒流量控制系統(tǒng)在壓力階躍干擾作用下，比例度P的大小對過渡過程會產(chǎn)生什么影響？2.離心泵恒流量控制系統(tǒng)在階躍壓力干擾作用下，積分常數(shù)中

16、北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱過程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用學(xué)號 1302054140 學(xué)生姓名姜樹林輔導(dǎo)教師劉廣璞系別過程裝備與控制工程實(shí)驗(yàn)室名稱實(shí)驗(yàn)時(shí)間1 實(shí)驗(yàn)名稱離心泵恒流量控制實(shí)驗(yàn)2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 測定離心泵恒流量控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下，離心泵出口流量的過渡過程，利用最大偏 差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(shí)間等參數(shù)評價(jià)離心泵恒流量控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。(2)掌握比例度 P、積分時(shí)間 I 參數(shù)在流量控制系統(tǒng)中的作用和對過渡過程品質(zhì)指標(biāo)的影響。3.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在 PID 控制規(guī)律下，在相同干擾作用下，分別改變比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間的值對過渡過 程的影響。4.實(shí)驗(yàn)原理離心泵恒流量控制

17、系統(tǒng)圖如圖 1 所示，控制過程如圖 2 所示。圖 2 離心泵恒流量控制過程離心泵恒流量控制系統(tǒng)為單回路簡單控制系統(tǒng)，安裝在離心泵出口管路上渦輪流量傳感器TT將離心泵出口流量轉(zhuǎn)換成脈沖信號，其脈沖頻率經(jīng)頻率/電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號后輸出至流量調(diào)節(jié)器 TC, TC 將流量信號與流量給定值比較后，按PID 調(diào)節(jié)規(guī)律輸出 420mA 信號，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥改變調(diào)節(jié)閥的開度，達(dá)到恒定離心泵出口流量的目的。離心泵恒流量控制系統(tǒng)方框圖如圖3 所示。控制參數(shù)如下:I 的大小對過渡過程會產(chǎn)生什么影響?(1) 控變量 y：離心泵出口流量 Q。(2)定值(或設(shè)定值)ys :對應(yīng)于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值，在本實(shí)

18、驗(yàn)中取1.5 L/s。(3)測量值 ym：由傳感器檢測到的被控變量的實(shí)際值，在本實(shí)驗(yàn)中為離心泵出口流量值Q(4) 操縱變量(或控制變量)：實(shí)現(xiàn)控制作用的變量，在本實(shí)驗(yàn)中為離心泵出口流量。使用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器對離心泵出口流量進(jìn)行控制。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的輸入信號范圍：420mA 輸出：閥門開度0-16mm。(5) 干擾(或外界擾動(dòng))f :干擾來自于外界因素，將引起被控變量偏離給定值。在本實(shí)驗(yàn)中采用突 然改變離心泵轉(zhuǎn)速的方法，改變離心泵出口壓力，人為模擬外界擾動(dòng)給控制變量造成干擾。(6)偏差信號 e 被控變量的實(shí)際值與給定值之差，e= y s- ym y m-離心泵出口流量值 Q。y s- 離心泵出口

19、流量設(shè)定值。(7) 控制信號 u 工業(yè)調(diào)節(jié)器將偏差按一定規(guī)律計(jì)算得到的量。離心泵恒流量控制系統(tǒng)采用比例積分控制規(guī)律(P1D)對離心泵流量進(jìn)行控制。比例積分控制規(guī)律是比例與積分兩種控制規(guī)律的組合，理想的 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：圖 3 離心泵恒流量控制系統(tǒng)方框圖假定在時(shí)間 t=0 之前，系統(tǒng)穩(wěn)定，且被調(diào)參數(shù)-離心泵的出口流量 Q 等于設(shè)定值。若在 t=0 時(shí)刻,外加壓力階躍干擾，離心泵出口壓力開始變化并按衰減振蕩的規(guī)律經(jīng)過一段時(shí)間后，離心泵出口流 量逐漸趨于穩(wěn)定。完成了一次過渡過程。5.實(shí)驗(yàn)過程及步驟(1)將流量表設(shè)定值設(shè)為： SV=2.0 L/s , P=300, 1=4 ;(2) 開動(dòng)冷水泵，關(guān)閉出口截止閥或出口球閥(3)調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)旋鈕，使壓力表顯示值為0.45Mpa；(4)調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)旋鈕，使流量表顯示值為2.0 L/s ;(5) 按下流量表下的自動(dòng)按鈕；當(dāng)流量穩(wěn)定后，鼠標(biāo)點(diǎn)擊清空數(shù)據(jù)庫，鼠標(biāo)點(diǎn)擊記錄數(shù)據(jù)，開始記 錄數(shù)據(jù)；(6)調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)旋鈕使壓力改變0.05Mpa 左右，造成人為干擾，觀察流量恢復(fù)過程；(7) 退出組態(tài)王，運(yùn)行數(shù)據(jù)處理程序，觀察溫度變化曲線。6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及心得(1)改變 P 的值，過渡過程如下圖：流量/Q圖 4P=30I=5D=0流量/Q