过控实验整理
实验三 数字式PID 调节器控制算法仿真
一、实验目的
1、了解并掌握基本的数字PID 控制算法和常用的PID 控制改进算法。
2、掌握用Matlab 进行仿真的方法。
3、了解PID 参数整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。
二、实验设备
PC 机(Matlab 软件)
三、实验原理
1、基本的PID 控制算法：
基本的数字P0控制有三种算法：位置式、增量式和速率式，其中应用最为广泛的是增量式，因为增量式算法只与最近几次采样值有关，不需要累加；计算机输出增量，误差动作时影响小。因此这里采用增量式PID 算法：
)]1()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=?k e k e k e k k e k k e k e k k u d i p
其中设
)]1()([)(--=k e k e k k u p p
)()(k e k k u i i =
)]2()1(2)([)(-+--=k e k e k e k k u d d
则
)()()()(k u k u k u k u d i p ++=?
2、数字PID 调节器参数的整定：
为使系统性能满足一定的要求，必须确定算法中各参数的具体值，这就是参数整定。参数整定是十分重要的，调节系统参数整定的好坏直接影响调节品质。要想快速、灵活的将参数整定好，首先应透彻理解这些参数对系统性能的影响：增大比例系数，一般将加快系统的响应，这在有静差系统中有利于减小静差，但过大会使系统有较大超调，并产生振荡，使稳定性变坏。增大积分时间(积分作用减弱)有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差消除的过程将随之减慢。增大微分时间(微分作用增强)有利于加快系统响应，使超调减小，稳定性增加，但系统对扰动有较敏感的响应。
四、实验要求
1、在Matlab 环境中，按照给定对象，构建仿真PID 控制系统。
2、调整PID 参数，观察各参数对系统响应的影响。
3、采用增量式PID 算法进行控制系统仿真，对各参数进行整定，观察系统响应曲线，直到获得满意的响应曲线。
4、采用积分分离PID 算法进行控制系统仿真，对各参数进行整定，观察系统响应曲线，直到获得满意的响应曲线。
5、在MAT LB环境中构建仿真PID控制系统，对各参数进行整定，观察系统响应曲线，直到获得满意的响应曲线。
6、根据整理过程和记录下的参数，对PID控制系统进行分析和比较。
7、完成实验报告。
五、思考题
1．比较增量式PID算法和位置式PID算法的优劣。
增量型算法与位置型算法比较：
（1）增量型算法不需做累加，计算误差后产生的计算精度问题，对控制量的计算影响较小。位置型算法用到过去的误差的累加，容易产生较大的累加误差。
（2）增量型算法得出的是控制的增量，误动作影响小，必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会影响系统的工作。位置型算法的输出是控制量的全部输出，误动作
影响大。
2．根据实验过程，总结PID参数对系统响应的影响。
PID控制包含三个环节：比例环节P，积分环节I，微分环节D。可以使用其中的一种
或两种，也可以三种都用，这要根据过程的特点和控制的要求而定。
比例环节P：控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时，系统输
出存在稳态误差。
积分环节I：控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。用于消除静差，提高系统的无差度。但它有滞后现象，使系统的响应速度变慢，超调量变大并可能产生振荡。微分环节D：反应控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。误差突变时，能及时控制，并能在偏差信号变化太大之前，在系统中引入一个有
效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。但其会带来扰动敏感，抑制抗干扰能力差。
位置式：
增量式：
实验二 被控对象建模
被控过程的数学模型，是指生产过程在各输入量（包括控制量和扰动量）作用下，其相应输出（被控量）变化的函数关系数学表达式。 建立过程数学模型的方法有两种。
1、根据过程的内在机理，通过静态与动态物料下衡和能量平衡关系，用数学分析的方法求取过程的数学模型，即机理法；
2、是根据被控过程输入、输出的实验数据，通过过程辨识与参数估计的方法建立被控过程的数学模型，即测试法。 测试法包括阶跃响应测试法建模在测得系统的阶跃响应曲线的基础上，进行参数估计。 参数估计的方法有作图法、经验法、两点法等。
一阶惯性对象：
一阶惯性对象的传递函数为 H(S)/Q(S)=K/(TS+1)
一阶惯性环节单位阶跃响应曲线 h(t)= h(∞)(1-e -t/T )x 0 当x 0=1，t=T 时，则有
h(T)= h(∞)(1-e -1)=0.632h(∞)
图1-1曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是一阶惯性对象的时间常数T 。 由响应曲线求得K 和T 后，就能求得一阶惯性对象的传递函数。
如果对象的阶跃响应曲线为图1-2，则在此曲线的拐点D 处作一切线，它与时间轴交于B 点，与响应稳态值的渐近线交于A 点。图中OB 即为对象的滞后时间τ，BC 为对象的时间常数T ，所得的传递函数为
二阶惯性对象：
二阶惯性对象的传递函数为：
时间常数的确定：
(1) h 2(t 1)=0.4 h 2(∞)时曲线上点B 和对应时间t 1；
(2)h2(t2)=0.8 h2(∞)时曲线上的点C 和对应的时间t2。 然后，利用下面的近似公式计算式
()-(0)
h h K x ∞=
0.32 由上述两式中解出T 1和T 2，于是求得双容（二阶）对象的传递函数为 实验3单回路液位控制 1212 K t t T T 2.16 =++≈ 响应稳态值-响应初值 阶跃量)55.074.1()T (T T T 2 122121-≈+t t 经验整定法实质上是一种根据经验进行试凑，根据对象运行经验，先确定一组初始控制器参数，投入运行，人为加入阶跃扰动，根据阶跃响应曲线，依照控制器各参数对调节过程的影响，改变相应整定参数值。 一般先δ后 Ti 和 Td ，如此反复试验多次，直到获得满意的阶跃响应曲线为止。 3 阶跃响应曲线 PI 调节器能提高输出速度，又消除静差。 设定好仿真得到的PI ，通过细调P 和I ，使得输出衰减比为4：1。 记录参数，记录得到输出阶跃响应曲线。 实验四： 根据被控对象阶跃响应测试法建模方法，建立模拟锅炉内胆（夹套冷却）数学模型。 采用矩形脉冲输入建模法建模 记录内胆温度变化数据，画出响应曲线图 根据相应曲线，进行一阶惯性环节模型识别 实验五：单回路温度控制系统设计 模拟锅炉的内胆控制任务就是在电加热丝不断加热的过程中保持锅炉内胆的水温不变，即控制锅炉内胆水温等于给定值；实验进行前必须先通过电动调节阀支路给锅炉内胆打水,当水位上升至适当高度才开始加热，并在加热过程中不再加水。 2 ) ()()(*t t y t y t y ?--= 图2 锅炉内胆动态水温控制系统的方框图 实验6：单回路控制系统控制质量研究 一、实验目的 通过实验掌握扰动通道特性及扰动进入系统位置对控制质量的影响。 二、实验原理 对一个控制系统来说，干扰通道和控制通道的容量系数不一样，或者干扰进入系统的位置不同，那么控制质量就会不一样 实验研究干扰对系统性能的影响： 1、干扰通道的放大系数Kf影响： Kf越大，干扰对系统输出影响越大。 希望其愈小愈好。 2、如果干扰通道一惯性环节时间常数为Tf，则时间常数Tf越大，则对系统的控制质量影响就愈小。 3、干扰进入系统中的不同位置 对生产过程往往有两个干扰量： 同一形式大小相同的扰动出现于系统中不同的位置所产生的影响是不一样的。离输出越近影响越大。 三、实验任务 上-中水箱双容液位单回路控制系统： 1．完成单回路控制系统设计、接线，并取合适的PID参数使得系统达到平衡。 2．研究控制通道不变而干扰进入系统位置不同(从上，中水箱进入)时的控制质量。记录相应的数据，画出过渡过程曲线。 实验7：单回路流量控制系统设计 一、实验任务 1、建立流量、盘管流量控制系统数学模型； 2、设计电动调节阀流量单回路控制系统，以仿真PI为预设参数进行流量调节器参数的整定； 3、每个系统记录至少两组不同大小P、I，系统阶跃响应。 二、实验原理 图5-1 单闭环流量控制系统的结构图 基于被控对象是一个时间常数较小的惯性环节，故本系统调节器的参数宜用阶跃响应曲线法确定。（具体参考实验二整定方法） 三、实验报告 1、单回路流量定值控制系统的结构图，方框图；。 2、单回路流量定值控制系统接线； 3、进行调节器参数工程整定（参考参数： P=35 ;I=85 ;D=0;Sn=33;CF=0;ADDR=1; diH=100;dil=0;SV=40 ），P,I参数自己整定； 4、记录至少两组PI参数，给定值的阶跃响应输出曲线（即SV从40跳变到50的 阶跃响应）。 实验八：盘管出水口温度滞后控制系统 一、实验方法 1．以盘管输出温度为被控参数，以加热量为控制参数，接线； 2．以仿真得到PI参数为预设参数，进行PI参数整定，直至衰减比大约为4：1； 3. 记录至少两组PI参数的响应曲线，与不含盘管温度对象进行比较。 二、实验原理 当输入量改变后，过程的输出量并不立即跟着响应，而是要经过一段时间后才能作 出反映，纯滞后时间就是指在输入参数变化后，看不到系统对其响应的这段时间。 滞后的原因通常有以下三种： 1、传输滞后 2、测量滞后 3、容量滞后 当物流沿着一条特定的路径传输时，路径的长度和物流的速度是构成纯滞后的因素。G0（s）=eτs 常规PID控制，对参数整定提出更高要求。 三、实验任务 被控量:盘管出水口水温,TT3检测 控制量:三相调压模块,用变频器供水系统以固定的频率把锅炉内胆热水恒速输送到 盘管，流回锅炉内胆。 四、实验步骤 将阀门F2-1、F2-6、F1-13全开，将锅炉出水阀门F2-12关闭。 打开变频器电源，给锅炉内胆贮适量水（高于红线位置。 关闭变频器，关闭阀F2-1、F2-6、F1-13、F2-9、F2-10，打开阀F2-2、F2-7、F2-8，为给盘管供热水作好准备。 选择PID控制规律，整定调节器参数。 阶跃响应曲线：手动控制待盘管出口水温稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待水温平衡后，突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶 跃增量的变化（即阶跃干扰，一般为设定值的5％～15%为宜。 适量改变调节仪的P、I参数，重复上步，记录不同参数时系统的响应曲线。 实验9：串级控制系统设计 一、实验目的 1、熟悉串级控制系统的结构与特点。 2、测试一次扰动、二次扰动过渡过程。 阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时系统输出曲线。 二、串级控制系统 主回路+副回路 主调节器+副调节器 f1(t)-一次扰动 f2(t)-二次扰动 串级控制系统特点： 1、减小了副对象的时间常数,改善了对象的特性。 2、提高了系统的工作频率。 3、串级控制回路具有较强抑制二次扰动能力。 4、串级控制系统具有一定的自适应能力。 三、实验任务 设计中-下水箱液位串级控制系统 完成接线和仪表设置（主:PI；副:P）。 实验比较相同扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线。 四、实验步骤 1、完成中-下水箱液位串级控制回路（调节阀回路）、扰动回路(变频器回路)接线。设置主、副调节器值: (主:P=50;I=50;Sn=33;CF=0;SV=10;水阀开度60 副:P=30;I=0;Sn=32;CF=8;水阀开度80度)。 扰动 :手动加 作用：加一个适量的流量扰动到中水箱和下水箱。 调节器2： 给定值来自于调节器1(外给定：CF=8) 1 2 调节器2：外给定：CF=8调节器1的输出经 I/V转换后接到1，2端； 中水箱液位反馈信号：2，3端(0.2-1V)共用2作为负极 主:P=50;I=50;Sn=33;CF=0;ADDR=1;SV设置为水槽中间位置 副:P=30;I=0; Sn=32;CF=8;ADDR=2 2、上电，记录在该PID参数下，下水箱液位的过程稳定曲线； 3、在2稳定情况下，在中水箱加入阶跃扰动，记录稳定过程曲线； 4、在2稳定情况下，在下水箱加入扰动，大小与3相同，记录稳定过程曲线。