过程控制参数整定

摘要：随着社会生产力的不断发展和人们生活质量的不断提高，必将对控

制理论、技术、系统与应用提出越来越多、越来越高的要求，因此有必要进一步加

强、加深对这方面的研究。本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行的分析和设

计，而对炉温过热蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。PID控制

是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。

关键词：生产、生活、PID、控制、反馈

Abstract:with the continuous development of social productive forces and

thepeople constantly improve the quality of life, is bound to the control theory,system and application, puts forward more and more, more and more high demand, it is necessary to further strengthen, deepen the research on this aspect. This paper is aimed at the analysis and design of boiler superheated steam temperature control system, and good control of temperature of superheated steam is a prerequisite to ensure the system output steam temperature stability. PID control is by far the most common, most feedback loopusing this method or its small deformation control.

Keywords: production、 life、 PID、 control、feedback

目录

前言 (1)

2总体方案设计 (2)

2.1方案比较 (2)

2.2方案论证 (3)

2.3 任务与设计要求 (3)

3.单元模块介绍 (5)

3.1输入模块 (5)

3.2控制系统图模块 (5)

3.3仿真干扰源 (8)

3.4主回路及副回路 (9)

3.5输出模块..................................................................................................................................... ..9

4.软件设计 (10)

4.1设计平台介绍 (10)

4.2串级控制系统设计 (10)

4.2.1干扰在主回路 (10)

4.2.2干扰在副回路 (14)

4.3单回路控制系统 (15)

5系统阐述 (19)

5.1串级控制系统优点 (19)

5.2抗干扰分析 (19)

6.系统性能分析 (20)

7.心得体会 (20)

前言

随着我国国民经济的快速发展，加热炉的使用范围越来越广泛。而加热炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量和产量。现代加热炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为加热炉的自动化提供了有利条件。蒸汽温度是锅炉安全、高效、经济运行的主要参数，因此对蒸汽温度控制要求严格。过高的蒸汽温度会造成过热器、蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形而毁坏；蒸汽温度过低，又会引起热效率降低，影响经济运行。锅炉控制现场环境恶劣，采用传统的基于模拟技术的控制器、仪器仪表或单片机，不仅结构比较复杂，效率比较低，并且可靠性也不高。而本设计就是阐述用PID对控制的作用和意义，在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用simulink来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。

2总体方案设计

2.1方案比较

方案一：用串级控制系统设计

方案二：单回路控制系统

单回路反馈控制系统简称单回路控制系统。由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭环。在所有的反馈控制系统中它是最简单最基本的一种，因此它又被称为简单控制系统。单回路控制系统有4个基本环节组成，即1被控对象或者被控过程，2测量变送装置，3控制器，4控制阀。它也是一个简单的PID控制。

特点：结构简单，易分析设计、投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，应用广泛。

图2.2单回路控制原理图

2.2方案论证

串级控制系统：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。系统特点及分析，它改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。

单回路控制系统：单回路控制系统是简单最简单的控制系统，他的优点是结构简单，生产工艺也相对简单。从燃料流量到引起原料油出口温度的变化，它的反应比较缓慢，而温度调节器是根据原料油的出口温度与设定值的偏差进行控制。当燃料部分出现干扰后，单回路控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数的影响，控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度要求很严格时，此单回路控制系统很难满足要求。

2.3 任务与设计要求

3.单元模块介绍

3.1输入模块

图3.1输入的单位阶跃信号模块及仿真

单位阶跃信号是指在t<0的时候，信号量恒为0，在t>0的时候，信号量恒为1。它是一种理想化的模型，因为在实际中，信号总是连续的，不可能在0点出现这样的“突变”.但是，建立这样一种模型，可以使我们分析的问题大为简化，抓住了主要因素，忽略了次要因素。同时，建立这样一种简化的模型，有利于我们的学习。

3.2控制系统图模块

将感测与转换器输出的讯号与设定值做比较，用输出信号源(2-10v或4-20mA)去控制最终控制组件。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近60年的历史了，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它设计技术难以使用，系统的控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统的参数的时候，便最适合用PID控制技术。

K分别为控制器的比例、积分、微分系数。

d

3.3仿真干扰源

图3.5干扰源及仿真

3.4主回路及副回路

图3.6主回路及副回路模块

串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。

3.5输出模块

图3.7示波器

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

4.软件设计

4.1设计平台介绍

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB 大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

4.2串级控制系统设计

4.2.1干扰在主回路

设计原理：主控制器的选择：主被控变量是工艺操作的主要指标（温度），允许波动

的范围很小，一般要求无余差，主控制器应选PID控制规律。

副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度，提高控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制器只要选P控制规律就可以了。

在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：逐步逼近法；两步整定法；一步整定法。逐步逼近法费时费力，在实际中很少使用。两步整定法虽然比逐步逼近法简化了调试过程，但还是要做两次4：1衰减曲线法的实测。对两步整定法进行简化，在总结实践经验的基础上提出了一步整定法。为了简便起见，本设计采用一步整定法。

所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为：

（1）在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K2/δS＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K 2，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。

（2）按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。

（3）改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳。

（4）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数Ti，即可得到改善。

对于该温度串级控制系统，在一定范围内，主、副控制器的增益可以相互匹配。根据表4.1，可以大致确定副控制器的增益K2及比例带。

表4.1常见对象的副控制器比例带的经验法

根据本设计，适当选取K2=2（整定时可以根据具体情况再做适当调整）。然后在副回路已经闭合的情况下按单回路控制器参数整定方法整定主控制器，本方案采用衰减曲线法整定，因此采用10：1衰减曲线法整定主控制器参数。

衰减曲线法是在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至4：1衰减过程为止。这时的比例度称为4：1衰减比例度（除了4:1的比例衰减度之外还有10:1的衰减度），用δS表示之。相邻两波峰间的距离称为4：1衰减周期Ts。根据δS和TS，运用表4.2所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。

表4.2衰减曲线法整定计算公式

4.2）。

图4.1串级纯控制比例环节

图4.2串级控制纯比例仿真图

Kc1的值从大到小取值，采用10：1衰减曲线法

在kc1=8的时候，在t1=20s出现第一峰值，为1.2。在t2=50s出现第二峰值，为0.9。曲线稳定值为0.82。符合10:1衰减曲线。P1=8/0.8=10，Ts=30s，Ti=1/30*1.2=0.028

Td=1/30*0.4=0.083连接上积分微分曲线则：

图4.3串级控制PID模块图

图4.4串级控制PID仿真图

发现改变后加入的微分和积分环节并不能让输出仿真曲线满足工艺要求，那是由于衰减曲线的衰减率不是很好确定，所以适当改变下，PID参数得到如下仿真曲线。P=7，Ti=0.028，Td=0.083.

4.2.2干扰在副回路

4.2.2干扰在副回路

图4.5串级控制干扰在副回路模块图

图4.6,串级控制干扰在副回路仿真图

4.3单回路控制系统

x

图4.8单回路控制系统

此次设计也采用一步整定法，在纯比例环节下，就是根据经验确定调节器的参数，如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数Ti，即可得到改善。根据本设计，适当选取K（整定时可以根据具体情况再做适当调整）。然后在按单回路控制器参数整定方法整定主控制器，本方案采用衰减曲线法整定，因此采用4：1衰减曲线法整定主控制器参数。

衰减曲线法是在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至4：1衰减过程为止。这时的比例度称为4：1衰减比例度（除了4:1的比例衰减度之外还有10:1的衰减度），用δS表示之。相邻两波峰间的距离称为4：1衰减周期Ts。根据δS和TS，运用表4.2所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。具体步骤如下

1.根据单回路控制系统的原理图在matlab的simulink模块中画出整个控制过程。

2.断开积分环节和微分环节。

3.在投入的运行过程中，主回路的系数由大到小，直到出现衰减率为4:1的仿真曲线为止。

4.在k=5的时候出现了衰减率为4:1的曲线。（见图4.10）

图4.9单回路模块图

图4.10单回路纯比例仿真图

K的值从大到小取值，采用4：1衰减曲线法

在k=5的时候，在t1=30s出现第一峰值，为1.2。在t2=80s出现第二峰值，为0.95。曲线稳定值为0.82。符合4:1衰减曲线。P1=5/0.8=6.3，Ts=50s，Ti=1/50*0.3=0.067，Td=1/50*0.1=0.2连接上积分微分曲线则：

图4.11单回路单回路仿真图

所以适当改变下微分积分参数和K，PID参数得到如上仿真曲线。P=6，Ti=0.01，Td=0.08。

I控制器参数整定经验总结

PID控制器的参数整定 (1)PID是比例,积分,微分的缩写. 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大,则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,

对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。 (2) PID具体调节方法 ①方法一 确定控制器参数 数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。 在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。 选择参数 控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。 PID控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。 常用的方法，采样周期选择， 实验凑试法 实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。 整定步骤 实验凑试法的整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。 （1）整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。 （2）整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。 先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 （3）整定微分环节 若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。 先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。 实验经验法 扩充临界比例度法

参数整定方法

1. 临界比例度法 先在纯比例作用下（把积分时间放到最大，微分时间放到零），在闭合的调节系统中，从大到小地逐渐地改变调节器的比例度，就会得到一个临界振荡过程。这时的比例度叫临界比例度δk，周期为临界振荡周期Tk。记下δk和Tk，然后按经验公式来确定调节器的各参数值。 2. 衰减曲线法 临界比例度法是要系统等幅振荡，还要多次试凑，而用衰减曲线法较简单，一般又有两种方法。 1）4：1衰减曲线法 使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改变比例度，使出现4：1的衰减比为止。记下此时的比例度δs和振荡周期T s。再按经验公式来确定PID数值。 2）10：1衰减曲线法 有的过程，4：1衰减仍嫌振荡过强，可采用10：1衰减曲线法。方法同上，得到10：1衰减曲线，记下此时的比例度δ＇s和上升时间T＇s，再按经验公式来确定PID的数值。 （四）PID参数确定的方法 在选择了调节规律及相应的调节器后，就要进行PID初始参数的确定。常采用的方法有临界比例度法（又称稳定边界法）、反应曲线法、衰减曲线法、仪表参数自整定法。 1、临界比例度法： 调节规律采用纯比例，不断增加K，使调节系统的被调参数作等幅振荡（即达到稳定边界）时，测量出比例放大系数Km或临界比例度Pm以及振荡周期Tm，然后，按经验数据求出初始参数。 临界比例度法的调节器经验数据表 调节规律P（%）T I T D P2P m PI 2.2 P m0.85T m PID 1.7 P m0.5T m0.13 T m 2、反应曲线法： 反应曲线法：要确定调节器的参数应先测定对象的动态特性，即对象输入量作单位阶跃变化时被调量的反应曲线，即飞升曲线。根据飞升曲线可得到等效滞后时间τ、等效时间常数T、

串级控制系统

习题六 1．什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。 答：串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。 主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。 2．串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合? 答串级控制系统的主要特点为： (1)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统； (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量} (3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响； (4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。 3．串级控制系统中主、剧变量应如何选择? 答主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。 副变量的选择原则是：． (1)主、副变量间应有一定的内在联系，副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化； (2)通过对副变量的选择，使所构成的副回路能包含系统的主要干扰； (3)在可能的情况下，应使副回路包含更多的主要干扰，但副变量又不能离主变量太近； (4)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生 4．为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统? 答串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值，而

主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统。5．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律? 答串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。 串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。 6．如何选择串级控制系统中主、副控制器的正、反作用? 答副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同，是按照使副回路成为—个负反馈系统的原则来确定的。 主控制器作用方向的选择可按下述方法进行：当主、副变量在增加(或减小时)，如果要求控制阀的动作方向是一致的，则主控制器应选“反”作用的；反之，则应选“正”作用的。 从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关。这种情况可以这样来理解：如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时，副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(即副回路的给定)，而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见，在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时，主变量亦增加)时，主控制器应选“反”作用方向，反之，当主对象具有“反”作用特性时，主控制器应选“正”作用方向。

PID控制器参数整定的方法,口诀

PID控制器参数整定的方法,口诀 P proportion 比例 I integration 积分 D differentiation 微分 PID用于控制精度比例是必须的,它直接影响精度,影响控制的结果 积分它相当于力学的惯性能使震荡趋于平缓 微分控制提前量它相当于力学的加速度影响控制的反应速度.太大会导致大的超调量使系统极不稳定.太小会使反应缓慢. 一般而言 PID调节是一个整体的说法在实际中 PID的比例积分微分并非总是同时使用 PI调节和PD调节使用较多. . PID调试步骤 没有一种控制算法比PID调节规律更有效、更方便的了。现在一些时髦点的调节器基本源自PID。甚至可以这样说：PID调节器是其它控制调节算法的妈。 为什么PID应用如此广泛、又长久不衰？ 因为PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。 由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID的参数也必须随之变化，以满足系统的性能要求。这就给使用者带来相当的麻烦，特别是对初学者。下面简单介绍一下调试PID参数的一般步骤： 1．负反馈 自动控制理论也被称为负反馈控制理论。首先检查系统接线，确定系统的反馈为负反馈。例如电机调速系统，输入信号为正，要求电机正转时，反馈信号也为正（PID算法时，误差=输入-反馈），同时电机转速越高，反馈信号越大。其余系统同此方法。 2．PID调试一般原则 a.在输出不振荡时，增大比例增益P。 b.在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。 c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。 3．一般步骤 a.确定比例增益P 确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此

单容水箱液位定值控制实验

实验上水箱液位定值控制系统 一. 实验目的 1．了解闭环控制系统的结构与组成。 2．了解单闭环液位控制系统调节器参数的整定。 3．观察阶跃扰动对系统动态性能的影响。 二. 实验设备 1. THJ-2型高级过程控制系统装置 2. 计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根 三. 实验原理 单回路控制系统的结构/方框图: 它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。 本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱液位在稳定时等于给定值。由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感检测作为反馈信号。其实验图如下：

过程：储水箱的水被抽出后经过电动调节阀调节进水量送给上水箱，经过LT1的测量变送使上水箱的液位反馈给LC1，LC1控制电动调节阀的开度进而控制入水流量，达到所需要的液位并保持稳定。 四．实验接线 其接线图为：图中LT2改接为LT1 五．实验内容及步骤 1．按图要求，完成系统的接线。 2．接通总电源和相关仪表的电源。 3．打开阀F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在适当的开度。 4．设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。 5．启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验： 设定其智能调节仪的参考参数为：SV=8cm；P=20；I=40；D=0；CF=0；ADDR=1；Sn=33；diH=50;dil=0;上水箱出水阀开度：45%。运行MCGS组态软件软件，并进行实验当实验数据稳定的同时记录的实验曲线如下图：

串级控制系统的构成投运和参数整定及控制质量研究

实验一串级控制系统的构成、投运和参数整定及控制质量 研究 一、实验目的 1、加深理解串级控制系统的工作原理及特点。 2、掌握串级控制系统的设计和组成。 3、学习相关的组态软件 4、初步掌握串级控制系统的控制器参数调整方法。 二、实验设备 1、A3000－FS现场总线型过程控制现场系统4套 2、A3000－CS上位控制系统4套 三、实验要求 1、根据工艺要求和工况条件，设计出合理可行的串级控制系统。 （1）要求及条件 工艺要求：下水箱液位控制在某一高度上。 对下水箱液位产生影响的扰动量：若干变量。 （2）控制方案 主被控变量c1(t)、副被控变量c2(t)及操纵变量q(t)等的选择；主控制器和副控制器控制算法的选择及正、反作用的确定等。 2、掌握串级控制系统的控制器参数整定方法和系统投运步骤。 3、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。 四、实验内容 1、液位流量串级控制系统方案及工作原理 实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副被控变量，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。 以下水箱为主被控对象。流量的改变需要经过一定时间才能反应到下水箱液位的变化，时间常数比较大（时延较大）。如图2－1所示，

图2－1 液位－流量串级控制系统 设计好下水箱和流量串级控制系统。将主控制器的输出送到副控制器的外给定输入端，而副控制器的输出去控制执行器。经反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。待流量稳定后，通过变频器快速改变流量，加入扰动（即，使干扰落入串级控制系统的副回路）。若控制器的各参数设置比较理想，且扰动量较小，经过副回路的及时控制校正，基本不会影响下水箱的液位。如果扰动量较大或控制器的各参数设置不理想，虽然经过副回路的校正，还将会影响主回路的液位，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动的影响，使液位调回到给定值上。当用第一动力支路把扰动加在下水箱时（即，干扰落入串级控制系统的主回路），扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小。该串级控制系统框图如图2-2所示。 图2－2 液位－流量串级控制系统原理方框图 2、液位流量串级控制系统组态 表2－1 液位流量串级控制系统连接示意 测量或控制量测量或控制量标号使用控制器端口 电磁流量计FT102 AI0 下水箱液位LT103 AI1 调节阀FV101 AO0 3、液位流量串级控制系统实验内容与步骤

控制回路PID参数整定方法精

Honeywell DCS 控制回路PID参数整定方法 鉴于目前一联合装置仪表回路自控率比较低，大部分的回路都是手动操作，这样不但增加了操作员的工作量，而且对产品质量也有一定的影响，特编制了此PID参数整定方法。 一、修改PID参数必须有“SUPPERVISOR”及以上权限权限，用键盘钥匙可以切换权限，钥匙已送交一联合主任陈胜手中； 二、打开要修改的控制回路细目画面，翻到下图所示的页面，修改PID控制回路整定的三个参数K，T1，T2； 三、PID参数代表的含义 K：比例增益（放大倍数），范围为0.0～240.0； T1：积分时间，范围为0.0～1440.0，单位为分钟，0.0代表没有积分作用； T2：微分时间，范围为0.0～1440.0，单位为分钟，0.0代表没有微分作用。 四、PID参数的作用 （1）比例调节的特点：1、调节作用快，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大K倍输出； 2、系统存在余差。 K越小，过渡过程越平稳，但余差越大；K增大，余差将减小，但是不能完

全消除余差，只能起到粗调作用，但是K过大，过渡过程易振荡，K太大时，就可能出现发散振荡。 （2）积分调节的特点：积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比，积分作用能消除余差，但降低了系统的稳定性，T1由大变小时，积分作用由弱到强，消除余差的能力由弱到强，只有消除偏差，输出才停止变化。 （3）微分调节的特点：微分调节的输出是与被调量的变化率成正比，在引入微分作用后能全面提高控制质量，但是微分作用太强，会引起控制阀时而全开时而全关，因此不能把T2取的太大，当T2由小到大变化时，微分作用由弱到强，对容量滞后有明显的作用，但是对纯滞后没有效果。 五、如果要知道控制回路的作用方式，可以进入控制回路的细目画面，进入下图所示页面： 其中“CTLACTN”代表控制器作用方式，“REVERSE”表示反作用，“DIRECT”代表正作用。 六、控制器的选择方法 （1）P控制器的选择：它适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统； （2）PI控制器的选择：它适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统；

串级控制系统参数整定

实验三：串级控制系统参数整定 PID 控制器由于自身具有的相对容易理解和实现的特点而被广泛应用于过程控制工业中。 在实践中，它经常被融入一个复杂的控制结构中，以达到一个更好的控制效果。在这些复杂的控制结构中，通常利 用串级控制组合来减小干扰引起的最大偏差和积分误差。容易实现的优点和潜在的大控制性能的提高导致串级控制广泛应用达数十年。它已经成为一个由工业过程控制器提供的标准应用。 串级控制系统由两个控制回路构成：一个可以快速动态消除输入干扰的内部回路，和一个可以调节输出效果的外部 回路。通常，他们是通过一个连续的方式来整定的。首先，外部回路控制器设置为手动，对内部回路进行整定。随后， 启用内部回路的整定结果，接着整定外部回路。如果控制效果不理想，应该调换整定的顺序。所以，整定串级控制系统 是一项相当笨重耗时的任务，特别是具有大时间常数和时间延迟的系统。 PID 自整定解除了手动整定控制器的烦恼，并且已经成功的应用于很多工业领域中。但是，到目前为止，却很少有关于串 级系统自整定技术的发展的文学报道。其中，Li et al 利用模糊逻辑进行串级控制器的自整定。Hang et al. 应用一个重复的延迟自动整定方法来整定串级控制系统，延迟反馈测试被验证了两次，一次在内部回路，另一次在外部回路。虽然特 殊的控制器整定已经被自动化，但整定过程的自然顺序并没有改变。Tan 提出了一个在一个实验中实行整体整定过程的方法，但是这个实验需要过程的过去的信息。而且，外部回路设计时所用的极限频率是基于未考虑内部回路控制参数改 变的初始极限频率。这篇论文提供了串级控制系统自整定的一种新方法。通过利用串级控制系统的基本性能，在外部回 路中利用一个简单的延迟反馈测试来确定内部和外部回路过程模型参数。 一个基于Pade 系数和Markov 参数，匹配PID 控制器整定方法的模型，被提出来控制整体系统效果。两个例子来说明该方法的有效性。 2.串级控制系统的基本原理 图1 串级控制组合的结构如图1，内部回路嵌套于外部回路里，外部回路的输出变量是被控对象。控制系统由两个过程 和两个控制器组成。分别为外部回路传递函数1p G ，内部回路传递函数2p G ，外部回路控制器1c G 和内部回路控制器2c G 。 串级控制系统的两个控制器都是标准的反馈控制器。通常情况下，内部回路为一个比例控制器，当内部回路过程包 含基本时间延迟时需要用到积分作用，外部过程使内部回路增益是有限的。 为了在它影响到外部回路之前减小或消除内部回路干扰 d 2，内部回路比外部回路应该有一个更快的动态响应（工业经验法则里，至少应快5倍以上）。因此，内部闭环回路的相位滞后应该比外部回路小。这个特点就是应用串级控制的基本原理。内部回路的交叉频率比外部回路高，使内部回路控制器有更高的增益，能够在没有危及系统的稳定性的情况下

Ziegler-Nichols参数整定控制器步骤与方法

Ziegler-Nichols参数整定控制器步骤与方法： 对于控制系统的一个开环传递函数： 试采用Z-N整定公式计算系统的P、PI、PID控制器的参数，绘制整定后的系统单位阶跃响应。 建立如下图所示的Simulink模型。 开环 最小二乘法的曲线拟合：（只对前30秒求出直线方程） 选定相应的时间序列找到相应的值记录需要拟合的点 时间序列：xout'0 Columns 1 through 9 0 0.6000 1.2000 1.8000 2.4000 3.0000 3.6000 4.2000 4.8000 Columns 10 through 18 5.4000 6.0000 6.6000 7.2000 7.8000 8.4000 9.0000 9.6000 10.2000 Columns 19 through 26 10.8000 11.4000 12.0000 12.6000 13.2000 13.8000 14.4000 15.0000 输出序列：yout' Columns 1 through 9 0 0 0 0 0 0.4200 1.4416 2.6924 3.9721 Columns 10 through 18 5.1850 6.2904 7.2759 8.1434 8.9010 9.5594 10.1300 10.6236 11.0501 Columns 19 through 26 11.4182 11.7359 12.0100 12.2465 12.4504 12.6262 12.7778 12.9086 线性拟合： cftool工具箱得出一个合适的直线，画出S曲线得到： 最后编写m文件，得到L=2.2，T=9.8-2.2=7，K=13.727 % %分别用单纯的比例控制、比例积分、比例积分微分控制 L=2.2;T=7;K=13.727 KP=T/(K*L)%纯比例控制 %simulink_P仿真开始 yP=y.data; save yP %PI控制 KPi=0.9*KP%积分的比例系数 TI=L/0.3;Ki=1/TI

实验三 PID控制器设计及其参数整定---已完成

实验三 PID 控制器设计及其参数整定 一、实验目的 1) 通过本实验，掌握使用Simulink 仿真设计连续和离散PID 控制器的方法。 2) 掌握对给定控制系统进行PID 控制器参数在线实验工程整定的方法。 二、实验原理 PID 控制是最经典、应用最广泛的控制方法，是单回路控制系统主要的控制方法，是其他控制思想的基础。本实验针对被控对象，选定控制器的调节规律，在控制器的调节规律已经确定的情况下，控制系统的品质主要决定于控制器参数的整定。 1. 连续PID 控制器 本实验采用的PID 控制器传递函数为： 111()(1)(1)C p d d i i G s K T S T S T S T S δ=+ +=++ 或写成： ()i C p d K G s K K S S =+ + 有 ,p i d p d i K K K K T T = = 其中K p 、K i 、K d 分别为比例系数、积分系数和微分系数；T i 、T d 分别为积分时间常数和微分时间常数；δ为比例度。 控制系统的Simulink 仿真图如图1所示。连续PID 控制器如图2所示。 根据不同的参数设置，可以得到单纯的比例控制、比例积分控制、比例微分控制以及比例积分微分控制等不同的控制系统。 控制器参数的工程整定实验法，是通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，按照动态特性参数法、衰减曲线法、临界比例度法、或经验法中的某一种方法，求得控制器的各个参数，进行工程整定，使系统的性能达到最佳。

图1 控制系统Simulink 仿真图 图2 连续PID 控制器Simulink 仿真图 2. 离散PID 控制器 将描述模拟PID 控制器的微分方程式化为差分方程，即为数字PID 控制算法。 1 ()(1) ()()()k p i d i e k e k u k K e k K T e i K T =--=++∑ 因为上式包含的数字积分项，需要存储过去全部偏差量，而且累加运算编程不太方便，计算量也较大，所以在应用中，通常都是将上式改为增量算法。 ()()(1) ()2(1)(2)[()(1)]()p I D u k u k u k e k e k e k K e k e k K Te k K T ?=----+-=--++ 即 ()(1)()u k u k u k =-+?

PID控制器参数整定的一般方法

PID控制器参数整定的一般方法： PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改； 二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整P、I、D的大小。书上的常用口诀： 参数整定找最佳，从小到大顺序查； 先是比例后积分，最后再把微分加； 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大； 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳； 曲线偏离回复慢，积分时间往下降； 曲线波动周期长，积分时间再加长； 曲线振荡频率快，先把微分降下来； 动差大来波动慢。微分时间应加长； 理想曲线两个波，前高后低4比1； 一看二调多分析，调节质量不会低。 个人认为PID参数的设置的大小，一方面是要根据控制对象的具体情况而定；另一方面是经验。P是解决幅值震荡，P大了会出现幅值震荡的幅度大，但震荡频率小，系统达到稳定时间长；I是解决动作响应的速度快慢的，I大了响应速度慢，反之则快；D是消除静态误差的，一般D设置都比较小，而且对系统影响比较小。 PID控制原理： 1、比例（P）控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其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。 2、积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3、微分（D）控制：在微分控制中，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。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控

串级调节系统

实验三串级调节系统 一、实验目的 1、熟悉串级调节系统的组成，结构。 2、通过选定的控制对象，来组成相应的串级调节系统。 3、学习串级调节系统的投运方法和主副调节器的参数整定。 二、实验原理 串级调节系统是复杂调节的一种形式，是在简单调节系统的基础上发展起来的。在对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的工作环境下，采用简单调节系统往往调节质量较差，满足不了工艺要求，从而采用串级控制系统。由于串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，因而它在过程控制中得到了广泛应用。 1、串级控制系统的结构 如图3-1所示，串级控制系统是指不止采用一个调节器，而是将两个或几个 调节器相串联，并将一个调节器的输出作为下一个调节器设定值的控制系统。2、串级控制系统的名词术语： （1）、主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。 （2）、副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅 助变量。 （3）、主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程， 是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。 （4）、副被控过程：是指副被控参数为输出的过程，是整个过程的一部分， 其输出控制主控参数。 （5）、主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其 输出作为副调节器的给定值。

（6）、副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制执行机构。 （7）、副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。 （8）、主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。 （9）、一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。 （10）、二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。 3、串级调节系统相对与单回路简单调节系统的优点： 串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。它与单回路反馈控制系统比较，由于在系统的结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点： （1）、改善了过程的动态特性 串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路，减小了该回路中环节的时间常数，增加了它的带宽，从而使系统的响应加快，控制更为及时。 （2）、具有较强的抗扰动能力 在串级控制系统中，主、副调节器放大系数的乘积愈大，则系统的抗扰动能力愈强，控制质量愈好。串级控制系统由于存在副回路，只要扰动进入副回路，不等它影响到主参数的变化，通过副回路的及时调节，该扰动对主参数的影响就会大大地削弱或完全消除，从而提高了主参数的控制质量。 （3）、具有一定的自适应能力 串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则是一个随动系统。主调节器的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，从而不断改变副调节器的给定值，使副回路调节器的给定值适应负荷并随操作条件而变化，即具有一定的自适应能力。 4、主、副回路的设计 串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的调整，其设计原则为：（1）、主参数的选择和主回路的设计 串级控制系统是由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统，副回路是随动调节系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。 （2）、副参数的选择和副回路的设计 1）、副参数的选择 副参数的选择应使副回路的时间常数小，时延小，控制通道短，这样可使等

控制器的参数整定

简单控制系统的参数整定:（摘自化学工业出版社《过程控制技术》）表7-1 控制规律选择参考表： 表7-2 控制器参数的大致范围： 当控制系统已经构成“负反馈”，并且控制器的控制规律也已经正确选定，那么控制系统的品质主要决定于控制器参数的整定值。即如何确定最合适的比例度δ、积分时间Ti和微分时间Td。控制器参数的整定方法很多，现介绍几种工程上常用的方法。 1．经验试凑法 这是一种在实践中很常用的方法。具体做法是：在闭环控制系统中，根据被控对象情况，先将控制器参数设在一个常见的范围内，如表7-2所示。然后施加一定的干扰， 以δ、Ti、Td对过程的影响为指导，对δ、Ti、Td逐个整定，直到满意为止，凑试的 顺序有两种。 （1）先凑试比例度，直到取得两个完整的波形的过渡过程为止。然后，把δ稍放大10％到20％，再把积分时间Ti由大到小不断凑试，直到取得满意波形为止。最后再加微分， 进一步提高质量。 在整定中，若观察到曲线振荡频繁，应当加大比例度（目的是减小比例作用）以减小振荡；曲线最大偏差大且趋于非周期时，说明比例控制作用小了，应当加强，即应减 小比例度；当曲线偏离设定值，长时间不回复，应减小积分时间；如果曲线总是波动， 说明振荡严重，应当加长积分时间以减弱积分作用；如果曲线振荡的频率快，很可能是 微分作用强了，应当减小微分时间；如果曲线波动大而且衰减慢，说明微分作用小了， 未能抑制住波动，应加长微分时间。总之，一面看曲线，一面分析和调整，直到满意为 止。

（2）是从表7-2中取Ti的某个值。如果需要微分，则取Td=（1/3～1/4）Ti。然后对δ进行凑试，也能较快达到要求。实践证明，在一定范围内适当组合δ与Ti的数值，可以获得相同的衰减比曲线。也就是说，δ的减小可用增加Ti的办法来补偿，而基本上不影响控制过程的质量。所以，先确定Ti、Td再确定δ也是可以的。 2．衰减曲线法 衰减曲线法比较简单，可分两种方法。 （1）4：1衰减曲线法 当系统稳定时，在纯比例作用下，用改变设定值的办法加入阶跃扰动，观察记录曲线的衰减比。然后逐次从大到小地改变比例度，直到出现4：1的衰减比为止。如图7-3所示。 记下此时的比例度δs（称4：1衰减比例度）和衰减周期Ts，再按表7-3的经验数据来确定PID值。 有的过渡过程，4：1衰减仍嫌振荡过强，可采用10：1衰减曲线法。如图7-4所示，方法同上。得到10：1衰减曲线，记下此时的比例度δs′上升时间Ts′，再按表7-4的经验公式来确定PID值。 阶跃干扰加得幅度过小则过程的衰减比不易判断，过大又为工艺条件所限制。所以一般在设定值的5%左右。扰动必需在工艺稳定时再加，否则得不到正确的δs、Ts或δs′、Ts′值。

加热炉串级控制(参数整定)

目录 1 前言 (1) 2总体方案设计 (2) 2.1 方案比较 (2) 2.2 方案论证 (4) 2.3 任务与设计要求 (5) 3串级控制系统的参数整定 (6) 3.1 参数整定方法 (6) 3.2 参数整定 (6) 3.3 两步法的整定步骤 (7) 4 MATLAB仿真 (8) 4.1 副回路的整定 (8) 4.2.2 主回路的整定 (9) 4.2.3 整体参数整定 (9) 5 结论 (13) 6总结与体会 (14) 7参考文献 (15)

1 前言 随着我国国民经济的快速发展，加热炉的使用范围越来越广泛。而加热炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量和产量。现代加热炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为加热炉的自动化提供了有利条件。加热炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措施。目前，加热炉的自动化主要包括自动检测、自动调节、程序控制、自动保护和控制计算五个方面。实现加热炉自动化能够提高加热炉运行的安全性、经济性和劳动生产率，改善劳动条件，减少运行人员。 加热炉是将物料或工件加热的设备。按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。 在生产过程控制中，一些复杂环节，往往需要进行串级控制。即把两个控制器串联起来，第一个控制器的设定值是控制目标，它的输出传给第二个控制器，作为它的设定值，第二个控制器的输出作为串级控制系统的输出，送到被控系统，作为它的控制“动作”。控制系统的这种串级形式对于复杂对象的控制往往比单回路控制的效果更好。串级控制对克服被控系统的时滞之所以能收到好的效果，是因为当用两个控制器进行串级控制时,每个控制器克服时滞的负担相对减小,这就使得整个控制系统克服时滞的能力得到加强。

8 控制器参数整定

习题8 控制器参数设定 1 简单控制系统各环节的参数如何确定？ 2 串级控制系统各环节的参数如何确定？ 3 某控制系统中的Pi 控制器采用经验凑试法整定控制器参数，如果发现在扰动情况下 的被控变量记录曲线最大偏差过大，变化很慢且长时间偏离给定值，试问在这种情况下应怎 怎改变比例度与积分时间？ 4 某控制器采用DDZ—Ⅲ型控制器，用临界比例法度法整定参数。已测得k δ=30%、 k T =3min 。试确定PI 作用和PID 作用的控制器参数。 习题8解答： 1 当控制系统已经构成“负反馈”，并且控制器的控制规律也已经正确选定，那么控制系 统的品质主要决定于控制器参数的整定值。即如何确定最合适的比例度度δ、积分时间Ti 和 微分时间Td ，控制器参数的整定方法很多，现介绍几种工程上常用的方法。 （1）经验试凑法 这是一种在实践中很常用的方法。具体做法是：在闭环控制系统中，根据被控对象的情 况，先将控制器参数设在一个常见的范围内。然后施加一定的扰动，以δ、Ti 、Td 对过程的影响为指导，对δ 、Ti 、Td 逐个整定，直到满意为止。试凑的顺序有两种。 1) 先试凑比例度，直到取得两个完整的波形的过渡过程为止，然后，把δ稍放大10%到20%，再把Ti 由大到小凑试，直到取得满意的波形，最后再加微分，进一步提高质量。 2）从下表中取Ti 的某个值，如果需要微分，则取Td=（1/3---1/4）Ti ，然后再对δ进行试凑。实践证明，这些经验数据基本上也能达到满意的效果。 （2）衰减曲线法 衰减曲线法比较简单，也分为两种。 1） 4：1衰减曲线法 2）10：1衰减曲线法 这两种方法都是在系统稳定时在纯比例作用下，用改变设定值的办法加入阶跃扰动，观察曲线的衰减比，然后由大到小改变比例度，直到出现4：1或10：1衰减比为止，记下此时的δ和振荡周期T ，再按经验数据确定PID 的值。 3 临界比例法 当整个闭环系统稳定后，把Ti 放到最大，Td 设为零使系统在纯比例下作用。然后从小

PID控制器参数整定设计

1 前言 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。控制器的输出经过输出接口﹑执行机构，加到被控系统上;控制系统的被控量,经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PＩＤ控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (ｉnteｌｌigｅｎt ｒｅguｌator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PIＤ控制的ＰC系统等等。可编程控制器(PＬC)是利用其闭环控制模块来实现PIＤ控制，而可编程控制器（ＰLC)可以直接与ＣontroｌNｅｔ相连。还有可以实现ＰIＤ控制功能的控制器，如Rｏckweｌl 的Lｏｇｉｘ产品系列,可以直接与Con ｔroｌＮｅt相连，利用网络实现其远程控制功能。 控制系统的性能指标通常包括稳态和动态两个方面。稳态性能指标是指系统的稳态误差,它表征系统的控制精度。动态性能指标表片系统瞬态响应的品质。为使系统能同时满足动态和稳态性能指标的要求，就需要在系统中引入一个专门用于改善性能的附加装置，这个附加装置就是校正装置。当控制系的开环增益增大到满足其稳定性态性能所要求的数值时，系统有可能为不稳定,或者即使能稳定性定,其动态性能一般也不会满足设计要求,为此需要在系统的前向通首中加一个超前校正装置,以实现在开环增益不变的前提下,使系统的动态性能也能满足设计的要求。当系统的动态性能满足要求，而其稳定性态性能不好时，就要求所加的校正装置要使系统的开环增益有较大的增大，使系统的动态性能不发生明显的变化,因此要加入滞后校正装置。若要将两种校正结合起来应用,必然会同时改善系统的动态和稳态性能，这就是滞后——超前校正。而PID控制器能够满足这两方面的要求，但根据系统性能指标的要求,正确地调整PＩD的三个参数是非常重要的。本次设计就主要围绕调节PＩD的参数进行。

PID参数的工程整定方法

PID参数的工程整定方法 班级: 姓名:侯泉宇 学号:52 PI D 调节器从问世至今已历经了半个多世纪, 在这几十年中, 人们为它的发展和推广作出了巨大的努力, 使之成为工业过程控制中主要的和可靠的技术工具。即使在微处理技术迅速发展的今天, 过程控制中大部分控制规律都未能离开 PI D, 这充分说明 P I D 控制仍具有很强的生命力。PI D 控制中一个至关重要的问题, 就是控制器三参数( 比例系数、积分时间、微分时间) 的整定。整定的好坏不但会影响到控制质量, 而且还会影响到控制器的鲁棒性。此外, 现代工业控制系统中存在着名目繁多的不确定性, 这些不确定性能造成模型参数变化甚至模型结构突变, 使得原整定参数无法保证系统继续良好的工作, 这时就要求 PI D 控制器具有在线修正参数的功能, 这是自从使用 PI D 控制以来人们始终关注的重要问题之一。本文在介绍 PI D 参数自整定概念的基础上, 对 P I D 参数自整定方法的发展作一综述。 PID 参数自整定概念PI D 参数自整定概念中应包括参数自动整定(auto tuning) 和参数在线自校正( self tuning onli ne) 。具有自动整定功能的控制器, 能通过一按键就由控制器自身来完成控制参数的整定, 不需要人工干预,它既可用于简单系统投运, 也可用于复杂系统预整定。运用自动整定的方法与人工整定法相比, 无论是在时间节省方面还是在整定精度上都得以大幅度提高, 这同时也就增进了经济效益。目前, 自动整定技术在国外已被许多控制产品所采用, 如 Lee d s &N or th r o p 的 El ec t r o ma x V、 Sa tt Con tr ol r 的 ECA40 等等, 对其研究的文章则更多。 自校正控制则为解决控制器参数的在线实时校正提供了很有吸引力的技术方案。自校正的基本观点是力争在系统全部运行期间保持优良的控制性能, 使控制器能够根据运行环境的变化, 适时地改变其自身的参数整定值, 以求达到预期的正常闭环运行, 并有效地提高系统的鲁棒性。 早在 20 世纪 7 0 年代, As tr o m 等人首先提出了自校正调节器, 以周期性地辨识过程模型参数为基础, 并和以最小方差为控制性能指标的控制律结合起来, 在每一采样周期内根据被控过程特性的变化, 自动计算出一组新的控制器参数。20 世纪 80 年代, Fo x bo r o 公司发表了它的 EX AC T 自校正控制器, 使用模式识别技术了解被控过程特性的变化, 然后使用专家系统方法去确定适当的控制器参数。这是一种基于启发式规则推理的自校正技术。20 世纪 90 年代, 神经网络的概念开始应用于自校正领域。具有自动整定功能和具有在线自校正功能的控制器被统称为自整定控制器。一般而言, 如果过程的动态特性是固定的, 则可以选用固定参数的控制器, 控制器参数的整定由自动整定完成。对动态特性时变的过程, 控制器的参数应具有在线自校正的能力, 以补偿过程时变。 2 P ID 参数自整定方法 要实现 PI D 参数的自整定, 首先要对被控制的对象有一个了解, 然后选择相应的参数计算方法完成控制器参数的设计。据此, 可将 PI D 参数自整定分成两大类: 辨识法和规则法。基于辨识法的 PI D 参数自整定,被控对象的特性通过对被控对象数学模型的分析来得到, 在对象数学模型的基础上用基于模型的一类整定法计算 PI D 参数。基于规则的 PI D 参数自整定, 则是运用系统临界点信息或系统响应曲线上的一些特征值来表征对象特性, 控制器参数由基于规则的整定法得到。 2. 1 辨识法 这类方法的本质是自适应控制理论与系统辨识的结合。为解决被控对象模型获取问题,