过程控制作业,基于MatlabPID整定

1《过程控制》课程设计报告题目：PID整定方法的比较研究姓名：学号：专业：自动化年级：指导教师：年月日2目录1，任务书……………………………………………………………………………32，参数计算…………………………………………………………………………43，PID整定3.1临界比例度法整定……………………………………………………53.2减振荡法整定…………………………………………………………73.3应曲线法整定…………………………………………………………84，问题总结…………………………………………………………………………114.1小结……………………………………………………………………114.2三种整定方法的比较…………………………………………………114.3P、PI控制效果的比较………………………………………………124.4设计过程中遇到的问题及解决方法…………………………………125，心得体会…………………………………………………………………………1331任务书1.1、设计题目PID整定方法的比较研究1.2、设计任务设计水槽水位单回路控制系统如图1所示：在阀门开度u阶跃变化50%时，测得液位的响应数据如表1所示：(1)液位必须控制在一定范围内，否则会影响系统的稳定运行，出现安全事故。液位测量变速器的测量范围为100400mm。已知测量变送环节均为线性测量变送元件。(2)控制系统采用DDZ-III型仪表，输入输出信号为标准电流信号。(3)阀门为直线特性。41.3、设计内容1、用具有纯滞后的一阶惯性环节近似该被控过程的数学模型2、分别用临界比例度法、衰减振荡法、反应曲线法整定P，PI控制器参数3、利用MATLAB/SIMULINK构建单回路控制系统模型4、比较不同整定方法的控制效果5、比较P、PI控制效果2计算采用两点法计算参数Т，δ，τ由：T=(t2-t1)/{ln[1-y0(t1)]-ln[1-y0(t2)]}τ={t2ln[1-y0(t1)]-t1ln[1-y0(t2)]}/{ln[1-y0(t1)]-ln[1-y0(t2)]}得：T00.20.40.60.811.2Y*0.0000.0000.0280.1920.3630.5690.730t/min1.41.61.82.02.2…∞Y*0.8400.9220.9680.990111表2Y*(t1)Y*(t2)Тτ0.028(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：Т=（0.737+0.494+0.334）/3=0.522τ=（0.379+0.495+0.648）/3=0.5075K=(340.5-200.1)/50=2.808G(s)=2.808e^(0.507s)/(0.522s+1)检测变送K1=(20-4)/（400-300）=0.053调节阀开度K2=100/16=6.25MATLAB/SIMULINK构建单回路控制系统模型图TransportDelay8360s+1TransferFcnStepScope1sIntegrator1Gain32.4Gain1-K-GainAdd1Add3PID整定3.1临界比例度法具体整定步骤如下：①将控制器的积分时间TI置于最大（TI=∞），比例带置为较大的数值,把系统投入闭环运行。②系统稳定后，施加一个阶跃输入；减小比例度，直到出现等幅振荡为止。记录临界比例带k和等幅振荡周期kT。③根据k和kT，采用表1中的经验公式，计算控制器各参数。表1采用临界比例度法的整定参数整定参数控制规律δkTTdP2δk----PI2.2δk0.85Tk--6PID1.7δk0.5Tk0.125Tk调试过程：K=60,T=999999K=73.5,T=999999PI整定，由等幅振荡可得：Tk=4δk=0.023δ=0.051T=3.473.2衰减曲线法具体整定步骤如下：①将控制器的积分时间TI置于最大（TI=∞），比例带置为较大的数值,把系统投入闭环运行。②系统稳定后，施加一个阶跃输入；减小比例度，直到出现如图5所示衰减比n=4:1的振荡过程。记录此时的比例带s和相应的衰减振荡周期sT。③根据s和sT，采用表2中的经验公式，计算控制器各参数。表2衰减曲线法整定计算公式衰减率整定参数控制规律δT1Td0.75Pδs----PI1.2δs0.5Ts--PID0.8δs0.3Ts0.1Ts取Kp=47.2,Ki=3时得到满意仿真效果下图所示：Ts=4.8δs=0.017δ=0.020Ti=2.48加入积分环节后的仿真效果图整定参数表衰减率整定参数控制规律δT1Td0.75P0.72----PI0.870.86--表63.3反应曲线法：反应曲线法，在预先不知道控制对象特性的情况下进行的。如果知道控制对象的特性参数，即时间常数T、时间迟延τ和放大系数K，则可按经验公式计算出调节器的参数。利用这种方法整定的结果可达到衰减率φ=0.75的要求。无自衡过程的整定公式整定参数控制规律δT1TdPετ----PI1.1ετ3.3τ--PID0.85ετ2τ0.5τ表39自衡过程整定计算公式整定参数控制规律τ/T≦0.20.2≦τ0/T0≦1.5δT1TdδT1TdPτ/(ρ*T0)----2.6(τ/T0-0.08)/ρ(τ/T0+0.7)----PI1.1τ/(ρ*T0)3.3τ--2.6(τ/T0-0.08)/ρ(τ/T0+0.6)0.8T0--PID0.85τ/(ρ*T0)2τ0.5τ2.6(τ/T0-0.15)/ρ(τ/T0+0.08)0.81T0+0.19τ0.25T1表4流程图：响应曲线：10整定参数：整定参数控制规律τ0/T0=0.38，1/ρ=0.93，τ0=0.5，T0=1.3δT1TdP0.671----PI0.7401.04--P整定曲线：PI整定流程图：11反应曲线：4问题总结4.1小结1.衰减曲线法整定时控制保持衰减比等于4:1花费了很多时间。2.一开始做Simulink仿真时反馈没有改3.开始对软件不是很熟悉，挺多功能不懂用，如数据的测量，不知道用放大来观察，时间延时器错误的选了两个输入端的。不知道如何设定积分器参数等问题。4.测试系统液位设定值为300mm时的响应曲线时，忘了将300mm转化成电流值。性能指标的具体参数有哪些不记得。4.2三种整定方法的比较共同点：三种整定方法都是通过试验获取某些特征参数，然后再按照工程经验公式计算控制器的整定参数。12不同点：①临界比例度法和衰减曲线法都是闭环整定方法，其优点是不需要掌握被控过程的数学模型。但这两种方法都存在一定的缺点，如对于临界比例度，由于有些过程控制系统不允许反复振荡试验，有些时间常数较大的单容过程采用比例控制时根本不可能出现等幅振荡，即不能应用此法；对于衰减曲线法，要确定系统4:1的衰减程度比较困难，从而使获得的s值和sT值可能存在误差。②反应曲线法是开环整定方法，即通过系统开环试验得到被控过程的特征参数后，再对控制器参数进行整定。这种方法的适用性较广。与其他两种方法相比，反应曲线法所受试验条件的限制较少，通用性较强。③从控制效果来看，对于三种整定方法得到的PI控制器，衰减振荡法的控制效果比其他两种方法相对较好，衰减振荡法整定的PI控制器使系统具有较好的动态性能。4.3P、PI控制效果的比较P控制当比例带分别为0.7375、0.851、1.3449时，相应的稳态误差分别132.114mm、142.84mm、176.89mm，相应的超调分别为57.03％、46.67％、22.72％（如表5所示），可见①比例控制是一种有差调节，即当采用比例控制时，不可避免的会使系统存在稳态误差；②比例控制的稳态误差随比例带的增大而增大；③随着比例带的减小，系统的稳定性变差。PI控制当系统采用PI控制时，系统的稳态误差为0，可见积分控制可以提高系统的稳态控制精度；从对比P、PI控制时系统的调节时间可见（如表5所示），积分作用降低系统的振荡频率，使闭环控制系统的响应变慢；4.4设计过程中遇到的问题及解决方法①如何利用MATLAB对响应数据进行曲线的拟合。解决方法：通过查看相关MATLAB的书籍，了解MATLAB曲线拟合的相关知识。②如何使仿真得到的响应曲线光滑。解决方法：通过SimulationConfigurationParameters…打开仿真参数设置对话框，设置Maxstepsize=0.01。13③如何从Scope中的曲线上准确读取某点的坐标值。解决方法：通过鼠标不断单击曲线上要读取的点直到能从坐标轴上读取较准确的坐标值。5心得体会在这次过程控制作业中我不仅检验了课上所学，并且从中学到了更多知识，也提高了实践能力。在做课程设计之前为了更好使用MATLAB去网上学习了MATLAB控制系统的设计与仿真收获良多。MATLAB可以方便地应用于系统建模和仿真等方面优秀软件，是不可多得的工具。设计结果的分析与总结中，我的分析问题解决问题的能力得到提高。通过用临界比例度法、衰减振荡法、反应曲线法整定P、PI控制器参数，我掌握三种方法整定PID参数，并且掌握了很多实用技巧。试验中深切了解到PI控制作用的内涵：在PI控制器中，当Kc不变时，减小Ti，积分控制作用增强，衰减比减小，振荡加剧，随动控制系统闭环响应的超调量增大。调节过程加快，振荡频率升高。若保持Kc不变而减小Ti，或保持Ti不变而增大Kc，都会增强积分控制作用，使衰减比减小，振荡加剧，超调量或最大偏差增大。积分控制作用除了用于消除闭环系统余差外，它也降低闭环控制系统的振荡频率，使闭环控制系统的响应变慢。实验里遇到了各种问题，也通过同学帮助和查阅网络得到解决。总的来说，这次实验设计让我积累了许多宝贵的经验。