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)康模?） 掌握動(dòng)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(duì)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(tái)、MATLAB軟件三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 用SIMULINK建立被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為，系統(tǒng)輸入為單位階躍，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（比例-積分-微分）控

2、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(jiǎn)單實(shí)用，不要求受控對(duì)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。比 例積 分微 分對(duì)象模型PID控制器r(t)y(t)u(t)e(t). PID控制規(guī)律寫(xiě)成傳遞函數(shù)的形式為 式中，為比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)；簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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統(tǒng)的偏差信號(hào)，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(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。（3）微分環(huán)

3、節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)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(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。五、實(shí)驗(yàn)步驟（1）啟動(dòng)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(dòng)Simulink。（3）在Simulink庫(kù)瀏覽窗口中，單擊工具欄中的新建窗口快捷按鈕或在Simulink庫(kù)窗口中選擇菜單命令FileNewModeel,打開(kāi)一個(gè)標(biāo)題為“Untitled”的空白模型編輯窗口。（4）用鼠標(biāo)雙擊信號(hào)源模塊庫(kù)（Source）圖標(biāo)，打開(kāi)信號(hào)源模塊庫(kù)，將光標(biāo)移動(dòng)到階躍信號(hào)模塊（Step）的圖標(biāo)上，按住鼠標(biāo)左鍵，將其拖放到空白

4、模型編輯窗口中。用鼠標(biāo)雙擊附加模塊庫(kù)（Simulink Extra）圖標(biāo)，打開(kāi)Additional Liner模塊庫(kù)，將光標(biāo)移動(dòng)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(kù)(Math Operations)、連續(xù)系統(tǒng)模塊庫(kù)(Continuous)和接受模塊庫(kù)(Sinks)中，中把傳遞函數(shù)模塊(Transfer Fcn)、示波器模塊(Scope)和加法器模塊（）Sum）拖放到空白模型編輯窗口中。（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(huà)支線時(shí)，把光標(biāo)移到有向線段任意點(diǎn)處，按

5、下“Ctrl”鍵同時(shí)按下鼠標(biāo)左鍵，拖動(dòng)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(duì)象由子系統(tǒng)創(chuàng)建，如圖2 圖1 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 Subsystem即可。（8）設(shè)調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器，對(duì)象傳遞函數(shù)為：(其中)，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(dòng)仿真，通過(guò)示波器模塊觀測(cè)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(duì)象的階躍響應(yīng)曲線。根據(jù)響應(yīng)曲線求取對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。按表1計(jì)算調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并

6、根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)。啟動(dòng)仿真，通過(guò)示波器模塊觀測(cè)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），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(dòng)仿真，通過(guò)示波器模塊觀測(cè)并記錄系統(tǒng)輸出的變化曲線。逐漸增加比例增益，觀測(cè)不同比例增益下的調(diào)節(jié)過(guò)程，直到調(diào)節(jié)過(guò)程出現(xiàn)等幅振蕩為止，記錄此時(shí)的比例帶 和系統(tǒng)的臨界振蕩周期 。根據(jù)求得的和，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(dòng)試驗(yàn)，觀測(cè)控制過(guò)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，并將比例增益置于較

7、小的數(shù)值，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。啟動(dòng)仿真，通過(guò)示波器模塊觀測(cè)并記錄系統(tǒng)輸出的變化曲線。逐漸增加比例增益，觀測(cè)不同比例增益下的調(diào)節(jié)過(guò)程，直到調(diào)節(jié)過(guò)程出現(xiàn)衰減率為0.75的振蕩為止，記錄此時(shí)的比例帶和系統(tǒng)的臨界振蕩周期。 由表3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(dòng)試驗(yàn)，觀測(cè)控制過(guò)程，適當(dāng)修改整定參數(shù)，直到控制過(guò)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)P2PI2.20.85PID1.670.5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)P2PI1.20.5PID0.80.30.1六、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

8、分，即=0，=0。調(diào)整到出現(xiàn)等幅震蕩，此時(shí)。 如圖3。 圖3 由圖可知= =0.25，又由臨界曲線法整定參數(shù)計(jì)算表及以下公式關(guān)系， ， 得到調(diào)節(jié)器的參數(shù)：=2.4，=0.0727，=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，=0，=0。調(diào)整直到調(diào)節(jié)過(guò)程衰減率為0.75的震蕩為止，此時(shí)。如圖5 圖5由圖可知=0.535，=78s由衰減曲線法整定參數(shù)計(jì)算表及以下公式關(guān)系， ， 得到調(diào)節(jié)器的參數(shù)：=2.33， =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(guò)渡過(guò)程越平緩，穩(wěn)態(tài)誤差越大；反之，過(guò)渡過(guò)程振蕩越激烈，穩(wěn)態(tài)誤差越??；若Kp過(guò)大，則可能導(dǎo)致發(fā)散振蕩。Ti越大，積分作用越弱，過(guò)渡過(guò)程越平緩，消除穩(wěn)態(tài)誤差越慢；反之，過(guò)渡過(guò)程振蕩越激烈，消除穩(wěn)態(tài)誤差越快。T