過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(共5頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1、 設(shè)計目的與要求：了解并掌握單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成和控制原理。了解PID參數(shù)整定的基本方法，如Ziegler-Nichols整定方法、臨界比例度法或衰減曲線法。學(xué)會用matlab中的Simulink仿真系統(tǒng)進行PID參數(shù)整定。2、 設(shè)計正文：在熱工生產(chǎn)過程中，最簡單、最基本且應(yīng)用最廣泛的就是單回路控制系統(tǒng)，其他各種復(fù)雜系統(tǒng)都是以單回路控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。單回路控制系統(tǒng)的組成方框原理圖如圖1所示，它是由一個測量變送器、一個控制器和一個執(zhí)行器（包括調(diào)節(jié)閥），連同被控對象組成的閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)。 變送器 對象 執(zhí)行器 控制器 干擾 圖1、單回路控制系統(tǒng)組成原理方框

2、圖控制器的參數(shù)整定可分為理論計算法和工程整定法。理論計算方法是基于一定的性能指標，結(jié)合組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，通過理論計算求得控制器的動態(tài)參數(shù)設(shè)定值。這種方法較為復(fù)雜繁瑣，使用不方便，計算也不是很可靠，因此一般僅作為參考；而工程整定法，則是源于理論分析、結(jié)合實驗、工程實際經(jīng)驗的一套工程上的方法，較為簡單，易掌握，而且實用。常用的工程整定法有經(jīng)驗法、臨界比例度法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法等等，本設(shè)計中主要是應(yīng)用Ziegler-Nichols整定方法來整定控制器的參數(shù)。參數(shù)整定的基本要求如下所述：1、 通過整定選擇合適的參數(shù)，首先要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，這是最基本的要求。2、 在熱工生產(chǎn)過程中，通常要求

3、控制系統(tǒng)有一定的穩(wěn)定裕度，即要求過程有一定的衰減比，一般要求4：110：1。3、 在保證穩(wěn)定的前提下，要求控制過程有一定的快速性和準確性。所謂準確性就是要求控制過程的動態(tài)偏差和穩(wěn)態(tài)偏差盡量地小，而快速性就是要求控制時間盡可能地短。總之，以穩(wěn)定性、快速性、準確性去選擇合適的參數(shù)。目前工程上應(yīng)用最廣泛的控制是PID控制，這種控制原理簡單，使用方便；適應(yīng)性強；魯棒性強，其控制品質(zhì)對被控對象的變化不太敏感。（1） 比例控制（P控制）：Gc(s)=Kp=1/；（2） 比例積分控制（PI控制）：Gc(s)=Kp(1+1/TIs)=1/(1+1/TIs)；（3） 比例積分微分控制（PID控制）：Gc(s)=

4、Kp(1+1/TIs+TDs)。Ziegler-Nichols法是一種基于頻域設(shè)計PID控制器的方法，根據(jù)給定對象的瞬態(tài)響應(yīng)來確定PID控制器的參數(shù)。如果單位階躍響應(yīng)曲線看起來是一條S形的曲線，則可用如下傳遞函數(shù)近似： =利用延遲時間L、放大系數(shù)K、和時間常數(shù)T，根據(jù)表1中的公式確定Kp、TI、TD的值（令=KL/T)控制器類型KpTITDP1/0PI0.9/3L0PID1.2/2L0.5L例：如圖所示的控制系統(tǒng)：G0(S)Gc(s) R(s) + C(s) -系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)G 0(s)=1/(s+1)6，采用Ziegler-Nichols法整定系統(tǒng)P、PI、PID控制器的參數(shù)，并繪制系統(tǒng)

5、的階躍響應(yīng)曲線。用最小二乘擬合方法求出該傳遞函數(shù)的一階延遲近似模型，程序如下：functionK,L,T=getfold(G)y,t=step(G);fun=inline('x(1)*(1-exp(-(t-x(2)/x(3).*(t>x(2)','x','t');x=lsqcurvefit(fun,1 1 1,t,y);K=x(1);L=x(2);T=x(3)；在命令窗口輸入：s=tf('s');G=1/(s+1)6;K,L,T=getfold(G);得出：K=1.0542,L=3.1621,T=3.5147;則系統(tǒng)的一階延

6、遲模型近似為：G0(S)=；繼續(xù)輸入：s=tf('s');G=1/(s+1)6; K=1.0542;T=3.5147;L=3.1621;a=K*L/T Kp=1/a %P控制 Kp=0.9/a,TI=3*L %PI控制 Kp=1.2/a,TI=2*L,TD=0.5*L %PID控制 得：a=0.9484 Kp=1.0544 Kp=0.9489 TI=9.4863 Kp=1.2652 TI=6.3242 TD=1.5811則，所設(shè)計的控制器模型為： P控制：GC(S)=1.0544 PI控制：GC(S)=0.9489(1+1/9.4863s) PID控制：GC(S)=1.2652

7、(1+1/6.3242s+1.5811s)。建立如圖所示的Simulink仿真模型：將Kp值置1，把反饋連線，微分器的輸出連線，積分器的輸出連線都斷開，選定仿真時間，可得出系統(tǒng)開環(huán)的單位階躍響應(yīng)曲線：P控制時，將Kp設(shè)為1.0544，將反饋連線連上，仿真運行，得到響應(yīng)曲線：PI控制時，將Kp設(shè)為0.9489，TI設(shè)為9.4863，將積分器的輸出連線連上，仿真運行得出響應(yīng)曲線：PID控制時，將Kp設(shè)為1.2652，TI設(shè)為6.3242，TD設(shè)為1.5811，將微分器的輸出連線連上，運行仿真得出響應(yīng)曲線：將三種控制下的響應(yīng)曲線可以看出，P控制和PI控制兩者的響應(yīng)速度基本相同，因為這兩種控制的比例系

8、數(shù)不同，因此系統(tǒng)穩(wěn)定的輸出值不同，PI控制的超調(diào)量比P控制的要小，PID控制比P控制和PI控制的響應(yīng)速度快，但是超調(diào)量大些。通過變化各項參數(shù)的大小可以總結(jié)出以下幾條基本的PID參數(shù)整定規(guī)律：1、 增大比例系數(shù)一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變差。2、 增大積分時間有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時間變長。3、 增大微分時間有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)的超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱。3、 設(shè)計心得體會：通過這次的設(shè)計實驗，我進一步鞏固了書本中所學(xué)的單回路控制相關(guān)的內(nèi)容，掌握了有關(guān)PID控制的相關(guān)知識和內(nèi)容。同時學(xué)會了用Ziegler-Nichols方法整定PID控制器的各種參數(shù)，用Matlab中的Simulink仿真系統(tǒng)求出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，收獲很大。4