過程控制仿真報(bào)告

PID控制器仿真設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué) 院：機(jī)電工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化組員：黃金玉1300120209 ：蔡旭健1300120206 ：張臏僑1300120133

仿真設(shè)計(jì)題b(學(xué)號(hào)尾數(shù)5-9)有一被控對(duì)象傳函為:請(qǐng)為其設(shè)計(jì)一個(gè)PID調(diào)節(jié)器，該對(duì)象接受調(diào)節(jié)器輸出的范圍為-1～1，在SIMULINK里進(jìn)行仿真，觀察飽和現(xiàn)象帶來的超調(diào)，然后使用積分分離法改進(jìn)你的PID調(diào)節(jié)器，比較改進(jìn)前后的結(jié)果。基于SIMULIK的仿真建模PID控制器（ProportionIntegrationDifferentiation.比例-積分-微分控制器），由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成。通過Kp，Ki和Kd三個(gè)參數(shù)的設(shè)定。PID控制器主要適用于基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)。通過把收集到的數(shù)據(jù)和一個(gè)參考值進(jìn)行比較，然后把這個(gè)誤差用于計(jì)算新的輸入值，這個(gè)新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在參考值。PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，更加穩(wěn)定。圖1PID控制系統(tǒng)原理圖PID控制器數(shù)學(xué)模型：傳遞函數(shù)可表示為:實(shí)驗(yàn)過程：搭建系統(tǒng)圖2PID控制器采用臨界比例法整定PID參數(shù)，其實(shí)現(xiàn)步驟：把積分器微分器斷開，得到一個(gè)純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)，Kp=1逐步增大Kp使輸出產(chǎn)生振蕩，直至獲得等幅震蕩，如圖所示此時(shí)的比例系數(shù)為臨界比例記為kr=2.33，及臨界周期值為Tr=1.55s根據(jù)zigeler-nigolas經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出各參數(shù)的整定值：Kp=0.6*kr=1.398；ki=（6*kr）/(5*Tr)=1.80；kd=(3*kr*Tr)/40=0.271依照計(jì)算出的參數(shù)對(duì)模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)定3、將仿真時(shí)間設(shè)定為50，開始仿真得到波形（未加積分分離）：圖3PID控制器輸出積分分離從圖3中不難發(fā)現(xiàn)，PID控制系統(tǒng)中，若積分作用太強(qiáng)，會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生過大的超調(diào)量，振蕩劇烈，且調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)，為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，我們采用積分分離的方法，即在系統(tǒng)誤差較大時(shí)，取消積分作用，在誤差減小到一定值后，再加上積分作用。這樣就可以即減小了超調(diào)量，改善動(dòng)態(tài)特性，又保持了積分作用。PID積分分離改進(jìn)方法在過程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累。由于系統(tǒng)的慣性和滯后，在積分累積項(xiàng)的作用下，往往會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長(zhǎng)時(shí)間的波動(dòng)。解決方案：（1）根據(jù)具體系統(tǒng)，人為設(shè)定閾值Δ>0；（2）當(dāng)|e(k)|>Δ時(shí)，采用PD控制；（3）|當(dāng)e(k)|<Δ時(shí)，采用PID控制；積分分離控制算法可表示為：其中，Ts為采樣時(shí)間，α為積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)：α=1，|e(k)|<0；α=0，|e(k)|>0；積分分離PID控制算法的程序框圖如圖1所示。圖4PID積分分離控制算法流程圖1.在Simulink中實(shí)現(xiàn)積分分離模塊的搭建圖5PID積分分離模塊1.將仿真時(shí)間設(shè)定為50，ManualSiwtch開關(guān)撥到積分分離模塊一側(cè)開始仿真并得到波形（得到積分分離法與未用積分分離法的對(duì)比）：圖6積分分離式PID控制器輸出四、仿真結(jié)果分析比較從圖中可以明顯看出加了積分分離的系統(tǒng)的階躍響應(yīng)的超調(diào)量明顯減小，動(dòng)態(tài)性能有所改善。原因在于，加入積分分離環(huán)節(jié)后，在調(diào)節(jié)開始時(shí)，比例環(huán)節(jié)占主導(dǎo)，積分環(huán)節(jié)被