過程控制作業(yè)基于MatlabPID整定

1、過程控制課程設(shè)計報告題 目： PID整定方法的比較研究 姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 自動化 年 級： 指導(dǎo)教師： 年 月 日目 錄1， 任務(wù)書32， 參數(shù)計算43， PID整定3.1臨界比例度法整定53.2減振蕩法整定7 3.3應(yīng)曲線法整定84，問題總結(jié)11 4.1小結(jié)11 4.2三種整定方法的比較11 4.3 P、PI控制效果的比較12 4.4設(shè)計過程中遇到的問題及解決方法125，心得體會131 任務(wù)書1.1、設(shè)計題目 PID整定方法的比較研究1.2、設(shè)計任務(wù) 設(shè)計水槽水位單回路控制系統(tǒng)如圖1所示：在閥門開度Du 階躍變化50%時，測得液位的響應(yīng)數(shù)據(jù)如表1 所示：(1)液位必須控制在一定范

2、圍內(nèi)，否則會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，出現(xiàn)安全事故。液位測量變速器的測量范圍為100400mm。已知測量變送環(huán)節(jié)均為線性測量變送元件。(2)控制系統(tǒng)采用DDZ-III 型儀表，輸入輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)電流信號。(3)閥門為直線特性。1.3、設(shè)計內(nèi)容 1、用具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)近似該被控過程的數(shù)學(xué)模型2、分別用臨界比例度法、衰減振蕩法、反應(yīng)曲線法整定P，PI 控制器參數(shù)3、利用 MATLAB/SIMULINK 構(gòu)建單回路控制系統(tǒng)模型4、比較不同整定方法的控制效果5、比較P、PI 控制效果 2 計算采用兩點法計算參數(shù)， 由：T= (t2-t1)/ln1-y0(t1)-ln1-y0(t2)=t2ln1-y0

3、(t1)-t1ln1-y0(t2)/ln1-y0(t1)-ln1-y0(t2) 得：T00.20.40.60.811.2Y*0.0000.0000.0280.1920.3630.5690.730t/min1.41.61.82.02.2Y*0.8400.9220.9680.990111表2Y*(t1)Y*(t2) 0.028(0.4)0.569(1.0)0.7370.3790.192(0.6)0.840(1.4)0.4940.4950.363(0.8)0.968(1.8)0.3340.648表3由表3得：=（0.737+0.494+0.334）/3=0.522=（0.379+0.495+0.64

4、8）/3=0.507K=(340.5-200.1)/50=2.808G(s)=2.808e(0.507s)/(0.522s+1)檢測變送K1=(20-4)/（400-300）=0.053調(diào)節(jié)閥開度K2=100/16=6.25MATLAB/SIMULINK 構(gòu)建單回路控制系統(tǒng)模型圖3 PID整定3.1臨界比例度法 具體整定步驟如下： 將控制器的積分時間TI置于最大（ TI =） ，比例帶置為較大的數(shù)值, 把系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。系統(tǒng)穩(wěn)定后，施加一個階躍輸入；減小比例度，直到出現(xiàn)等幅振蕩為止。記錄臨界比例帶和等幅振蕩周期。 根據(jù)和 ，采用表1中的經(jīng)驗公式，計算控制器各參數(shù)。表1采用臨界比例度法的整定參

5、數(shù) 整定參數(shù)控制規(guī)律k T TdP2k - -PI2.2k 0.85Tk -PID1.7k 0.5Tk 0.125Tk調(diào)試過程：K=60,T=999999K=73.5,T=999999PI整定，由等幅振蕩可得：Tk=4 k=0.023=0.051 T=3.43.2衰減曲線法 具體整定步驟如下： 將控制器的積分時間TI置于最大（ TI =） ，比例帶置為較大的數(shù)值, 把系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。 系統(tǒng)穩(wěn)定后，施加一個階躍輸入；減小比例度，直到出現(xiàn)如圖5所示衰減比n=4:1的振蕩過程。記錄此時的比例帶和相應(yīng)的衰減振蕩周期。 根據(jù)和 ，采用表2中的經(jīng)驗公式，計算控制器各參數(shù)。表2衰減曲線法整定計算公式衰減率

6、 整定參數(shù)控制規(guī)律 T1 Td0.75P s - - PI1.2s0.5 Ts - PID 0.8s 0.3 Ts 0.1 Ts取Kp=47.2,Ki=3時得到滿意仿真效果下圖所示：Ts=4.8 s=0.017=0.020 Ti=2.4加入積分環(huán)節(jié)后的仿真效果圖 整定參數(shù)表衰減率 整定參數(shù)控制規(guī)律 T1 Td0.75P 0.72 - - PI0.870.86 -表63.3反應(yīng)曲線法： 反應(yīng)曲線法，在預(yù)先不知道控制對象特性的情況下進(jìn)行的。如果知道控制對象的特性參數(shù)，即時間常數(shù)T、時間遲延和放大系數(shù)K，則可按經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的參數(shù)。利用這種方法整定的結(jié)果可達(dá)到衰減率=0.75的要求。無自衡過程

7、的整定公式 整定參數(shù)控制規(guī)律 T1 Td P - - PI 1.1 3.3 - PID 0.85 2 0.5表3自衡過程整定計算公式整定參數(shù) 控制規(guī)律 /T0.20.20/T01.5T1TdT1TdP/(* T0)-2.6(/T0-0.08)/(/T0+0.7)-PI1.1/(* T0)3.3-2.6(/T0-0.08)/(/T0+0.6)0.8T0-PID0.85/(* T0)20.52.6(/T0-0.15)/(/T0+0.08)0.81T0+0.190.25T1表4 流程圖：響應(yīng)曲線：整定參數(shù)：整定參數(shù) 控制規(guī)律 0/T0=0.38，1/=0.93，0=0.5，T0=1.3T1TdP0.

8、671-PI0.7401.04-P整定曲線：PI整定流程圖：反應(yīng)曲線：4 問題總結(jié) 4.1 小結(jié)1. 衰減曲線法整定時控制保持衰減比等于4:1花費了很多時間。2.一開始做Simulink仿真時反饋沒有改3.開始對軟件不是很熟悉，挺多功能不懂用，如數(shù)據(jù)的測量，不知道用放大來觀察，時間延時器錯誤的選了兩個輸入端的。不知道如何設(shè)定積分器參數(shù)等問題。 4.測試系統(tǒng)液位設(shè)定值為300mm時的響應(yīng)曲線時，忘了將300mm轉(zhuǎn)化成電流值。性能指標(biāo)的具體參數(shù)有哪些不記得。 4.2 三種整定方法的比較共同點：三種整定方法都是通過試驗獲取某些特征參數(shù)，然后再按照工程經(jīng)驗公式計算控制器的整定參數(shù)。不同點： 臨界比例度

9、法和衰減曲線法都是閉環(huán)整定方法，其優(yōu)點是不需要掌握被控過程的數(shù)學(xué)模型。但這兩種方法都存在一定的缺點，如對于臨界比例度，由于有些過程控制系統(tǒng)不允許反復(fù)振蕩試驗，有些時間常數(shù)較大的單容過程采用比例控制時根本不可能出現(xiàn)等幅振蕩，即不能應(yīng)用此法；對于衰減曲線法，要確定系統(tǒng)4:1的衰減程度比較困難，從而使獲得的值和值可能存在誤差。 反應(yīng)曲線法是開環(huán)整定方法，即通過系統(tǒng)開環(huán)試驗得到被控過程的特征參數(shù)后，再對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。這種方法的適用性較廣。與其他兩種方法相比，反應(yīng)曲線法所受試驗條件的限制較少，通用性較強(qiáng)。 從控制效果來看，對于三種整定方法得到的PI控制器，衰減振蕩法的控制效果比其他兩種方法相對較好

10、，衰減振蕩法整定的PI控制器使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)性能。 4.3 P、PI控制效果的比較 P控制當(dāng)比例帶分別為0.7375、0.851、1.3449時，相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差分別132.114mm、142.84mm、176.89mm，相應(yīng)的超調(diào)分別為57.03、46.67、22.72（如表5所示），可見比例控制是一種有差調(diào)節(jié)，即當(dāng)采用比例控制時，不可避免的會使系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差；比例控制的穩(wěn)態(tài)誤差隨比例帶的增大而增大；隨著比例帶的減小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。 PI控制 當(dāng)系統(tǒng)采用PI控制時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0，可見積分控制可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度；從對比P、PI控制時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間可見（如表5所示），積分作

11、用降低系統(tǒng)的振蕩頻率，使閉環(huán)控制系統(tǒng)的響應(yīng)變慢； 4.4 設(shè)計過程中遇到的問題及解決方法 如何利用MATLAB對響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線的擬合。解決方法：通過查看相關(guān)MATLAB的書籍，了解MATLAB曲線擬合的相關(guān)知識。 如何使仿真得到的響應(yīng)曲線光滑。 解決方法：通過SimulationConfiguration Parameters打開仿真參數(shù)設(shè)置對話框，設(shè)置Max step size=0.01。 如何從Scope中的曲線上準(zhǔn)確讀取某點的坐標(biāo)值。解決方法：通過鼠標(biāo)不斷單擊曲線上要讀取的點直到能從坐標(biāo)軸上讀取較準(zhǔn)確的坐標(biāo)值。5 心得體會 在這次過程控制作業(yè)中我不僅檢驗了課上所學(xué)，并且從中學(xué)到了更多知識，也提高了實踐能力。在做課程設(shè)計之前為了更好使用MATLAB去網(wǎng)上學(xué)習(xí)了MATLAB控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真收獲良多。MATLAB可以方便地應(yīng)用于系統(tǒng)建模和仿真等方面優(yōu)秀軟件，是不可多得的工具。設(shè)計結(jié)果的分析與總結(jié)中，我的分析問題解決問題的能力得到提高。通過用臨界比例度法、衰減振蕩法、反應(yīng)曲線法整定P、PI控制器參數(shù)，我掌握三種方法整定PID參數(shù)，并且掌握了很多實用技巧。試驗中深切了解到PI控制作用的內(nèi)涵：在PI控制器中，當(dāng)Kc不變時，減小Ti，積分控制作用增強(qiáng)，衰減比減小，振蕩加劇，隨動控制系統(tǒng)