單回路控制系統(tǒng)整定

1、單回路控制系統(tǒng)整定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 掌握動態(tài)建模的創(chuàng)建方法。(2) 掌握單回路控制系統(tǒng)的理論整定方法和工程整定方法(3) 了解調(diào)節(jié)器參數(shù)對控制品質(zhì)的影響。(4) .熟悉控制線性系統(tǒng)仿真常用基本模塊的用法二、實(shí)驗(yàn)儀器計(jì)算機(jī)一臺、MATLAB軟件三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：用SIMULINK建立被控對象的傳遞函數(shù)為G(x) ，系統(tǒng)輸(10s+1)入為單位階躍，采用PID控制器進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。 練習(xí)模塊、連線的操作，并將仿真時(shí)間定為300秒，其余用缺省值； 試用穩(wěn)定邊界法和衰減曲線法設(shè)置出合適的PID參數(shù)，得出滿意的響應(yīng)曲線。 設(shè)計(jì)M文件在一個(gè)窗口中繪制出系統(tǒng)輸入和輸出的曲線，并加圖 解。四、實(shí)驗(yàn)原理.PID (

2、比例-積分-微分)控制器是目前在實(shí)際工程中應(yīng)用最為廣泛 的一種控制策略。PID算法簡單實(shí)用，不要求受控對象的精確數(shù)學(xué)模型。.模擬PID控制器典型的PID控制結(jié)構(gòu)如圖所示PID控制器.PID控制規(guī)律寫成傳遞函數(shù)的形式為E(s)iKiG(s)Kp(1TdS)= KpKdSU (s)TiSsK式中，Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)；丁二一為積Ki分時(shí)間常數(shù)；Td=0為微分時(shí)間常數(shù)；簡單來說，PID控制各校正環(huán) Kp節(jié)的作用如下：(1) 比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(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

3、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)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。五、實(shí)驗(yàn)步驟(1) 啟動計(jì)算機(jī)，運(yùn)行MATLAB應(yīng)用程序。(2) 在 MATLAB 命令窗口輸入 Smulink,啟動 Simulink。(3) 在Simulink庫瀏覽窗口中，單擊工具欄中的新建窗口快捷按鈕 或在Simulink庫窗口中選擇菜單命令 File-； New-； Modeel,打開一個(gè) 標(biāo)題為“ Un titled ”的空白模型編輯窗口。(4) 用鼠

4、標(biāo)雙擊信號源模塊庫(Source)圖標(biāo)，打開信號源模塊庫， 將光標(biāo)移動到階躍信號模塊(Ste p)的圖標(biāo)上，按住鼠標(biāo)左鍵，將其 拖放到空白模型編輯窗口中。用鼠標(biāo)雙擊附加模塊庫(Simulink Extra) 圖標(biāo)，打開Additional Liner模塊庫,將光標(biāo)移動到PID Conttroller圖 標(biāo)上，按住鼠標(biāo)左鍵，將其拖放到空白模型編輯窗口中。(5用同樣的方法從數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫(Math Operations)連續(xù)系統(tǒng)模 塊庫(Continuous)和接受模塊庫(Sinks)中，中把傳遞函數(shù)模塊(Transfer Fen)、示波器模塊(Scope和加法器模塊()Sum)拖放到空白模型編

5、輯窗口中。(6) 用鼠標(biāo)單擊一個(gè)模塊的輸出端口并用鼠標(biāo)拖放到另一模塊的輸 入端口，完成模塊間的連接，若需要畫支線時(shí)，把光標(biāo)移到有向線段 任意點(diǎn)處，按下“ Ctrl”鍵同時(shí)按下鼠標(biāo)左鍵，拖動鼠標(biāo)到所需模塊。(7) 構(gòu)造圖1所示的單回路反饋系統(tǒng)的仿真模型，其中控制對象由 子系統(tǒng)創(chuàng)建，如圖2圖1Tra nsfw Fgn1Transfef Fon2Transfer Fai3CDOut1圖2示，創(chuàng)建子系統(tǒng)的方法是：用鼠標(biāo)選定待構(gòu)成子系統(tǒng)的各個(gè)模塊，包 括它們之間的連接線，單擊鼠標(biāo)右鍵再單擊 Create Subsysten即可。（8） 設(shè)調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器，對象傳遞函數(shù)為：（其中（1+Ts）n Ko =

6、1,T =10, n =4），用廣義頻率特性法按衰減率0.75 計(jì)算調(diào)節(jié)器的 參數(shù)；根據(jù) 計(jì)算結(jié)果設(shè)置PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，啟動仿真，通過示波 器模塊觀測并記錄系統(tǒng)輸出的變化曲線。（9）用響應(yīng)曲線法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 求出對象的階躍響應(yīng)曲線。 根據(jù)響應(yīng)曲線求取對象的動態(tài)特性參數(shù)。 按表1計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 啟動仿真，通過示波器模塊觀測并記錄系統(tǒng)輸出的變化曲線。（10）用臨界曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。 先將調(diào)節(jié)器改成純比例作用（使 T=Td=0），并將比例增益置于 較小的數(shù)值，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。啟動仿真，通過示波器模塊 觀測并記錄系統(tǒng)輸出的變化曲線。 逐漸增

7、加比例增益，觀測不同比例 增益下的調(diào)節(jié)過程，直到調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)等幅振蕩為止， 記錄此時(shí)的比 例帶十和系統(tǒng)的臨界振蕩周期 Tk。 根據(jù)求得的和Tk,由表2可求得調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。 將調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置好，作系統(tǒng)的定值階躍擾動試驗(yàn)，觀測控制過程, 并根據(jù)響應(yīng)曲線適當(dāng)修改整定參數(shù)。（11）用衰減曲線法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。先將調(diào)節(jié)器改成純比例作用T；Td=O，并將比例增益置于較小的 數(shù)值，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。啟動仿真，通過示波器模塊觀測并 記錄系統(tǒng)輸出的變化曲線。逐漸增加比例增益，觀測不同比例增益 下的調(diào)節(jié)過程，直到調(diào)節(jié)過程出現(xiàn)衰減率為0.75的振蕩為止，記錄此時(shí)的比例帶飛和系統(tǒng)的臨界振蕩周期Ts。由表3可

8、求得調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。將調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置好，作系統(tǒng)的定值階躍擾動試驗(yàn)，觀測控制過程， 適當(dāng)修改整定參數(shù)，直到控制過程滿意為止。表4-3臨界曲線法整定參數(shù)計(jì)算表控制規(guī)律調(diào)節(jié)器參數(shù)dTiTdP2d kPI2.2 6 k0.85 TkPID1.67 k0.5 TkTi表4-4衰減曲線法整定參數(shù)計(jì)算表控制規(guī)律調(diào)節(jié)器參數(shù)6TiTdP2d sPI1.2 6 s0.5 TsPID0.8 6 s0.3 Ts0.1 Ts六、實(shí)驗(yàn)曲線及數(shù)據(jù)處理、，1）臨界曲線法將調(diào)節(jié)器改成純比例積分，即Ki =0，Kd=0。調(diào)整Kp到出現(xiàn)等幅震蕩, 此時(shí)心=4。 如圖3。圖31由圖可知二 一=0.25，T/66S Kp又由臨界曲線

9、法整定參數(shù)計(jì)算表及以下公式關(guān)系Kp得到調(diào)節(jié)器的參數(shù)：Kp=2.4, Ki =0.0727, Kd=19.8修改PID參數(shù)得到的曲線圖4圖4(2)衰減曲線法將調(diào)節(jié)器改成純比例積分，Ki=0 , Kd=0。調(diào)整Kp直到調(diào)節(jié)過程衰減率為0.75的震蕩為止，此時(shí)Kp=1.87。如圖5圖51由圖可知s二丄=0.535, Ts=78sK p由衰減曲線法整定參數(shù)計(jì)算表及以下公式關(guān)系一丄TT -魚sKi，TKp得到調(diào)節(jié)器的參數(shù)：Kp=2.33,心=0.09996, =18.174修改PID參數(shù)得到的曲線圖6圖6七、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、P控制規(guī)律控制及時(shí)但不能消除余差，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??；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