过程控制课程设计,pid参数整定

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1、一、课程设计题目：给定被控对象参数，选择PID控制器比例系数KP，积分时间Ti，微分时间Td，使被控对象在输入出现扰动的情况下能够达到既定要求的控制曲线。二、课题分析：1、控制系统的参数整定可分为理论计算法和工程整定法，理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特性，通过理论计算求得控制器的动态参数设定值，这种方法比较复杂繁琐，使用不方便，因此一般仅作参考，而工程整定法则是源于理论分析，结合实验，工程实际经验等一套工程上的方法，较为简单，易掌握。2、要求：（1）通过参数整定选择合适的参数，首先要保证系统稳定，这是最基本的要求。（2）在热工生产过程中，通常要求控制系统有一

2、定的稳定裕度，即要求过程有一定的衰减比，一般要求4：1~10：1（3）在保证稳定的前提下，要求控制过程有一定的快速性和准确性，所谓准确性就是要求控制过程的动态偏差和稳态偏差尽量小，而快速性就是要求控制过程的时间尽可能短。图（1）单回路控制系统组成原理方框图根据图（1）的原理图，我们可以将整个单回路控制系统简化为图（2）的系统方框图。图（2）图中Gc（s）为控制器传递函数，可以用下图（3）所示的PID控制器结构图表示。上图为典型的PID控制系统结构图。在PID调节器的作用下，对误差信号分别进行比例、微分、积分组合控制，调节器的输出作为被控对象的输入控制量。PID控制算法的模拟表达式为：相

3、应的传递函数为：式中Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。在传统的PID调节器中，确定KP、Ti、Td3个参数的值，是对系统进行控制的关键，因此，在控制最主要的问题是参数的整定问题，在PID参数进行整定时，若是理论方法确定PID参数当然是最为理想的，但实际应用中，更多的是通过试凑来确定PID的参数。而利用matlab强大的仿真工具箱的功能，可以方便的解决整定的问题。三、PID控制分析。假设被控对象参数为3.1P控制作用分析。设Td=0，Ti=，Kp=3~4。输入信号为阶跃函数，根据结构图，进行matlab程序仿真如下：%P控制作用程序运行M文件可得到如下图形：3.2比

4、例积分控制作用分析设Kp=3，讨论Ti=2~6时对系统阶跃响应曲线的影响%比例积分控制作用程序运行程序后得到下图：3.3比例积分微分控制作用分析设Kp=3，Ti=4，讨论Td=0.01~0.1时对系统阶跃响应曲线的影响。%比例积分微分作用程序运行程序得下结果：初步分析得到下列结论：1、增大比例系数Kp将加快系统的响应，有利于减小静差，但是过大会使系统有较大的超调，使稳定性变坏，Kp取值过小，会使系统的动作缓慢。2、增大积分时间常数Ti有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但系统静差消除时间变长，若Ti过小，系统的稳态误差将难以消除，导致系统不稳定。3、增大微分时间Td有利于加快

5、系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但是Td不能过大，实际系统无法达到要求（上诉设计是理想的微分模型，所以如果实际的微分模型在Td过大时会使超调量增加，调节时间变长），若Td过小，同样超调量也增加，调节时间也较长。四、Ziegler—Nichols整定方法。在实际的过程控制系统中，如果数据时通过阶跃响应来获得的，且多数控制系统可以由公式G（s）=来近似表示，我们可以由(表一)中给出的经验公式来设计PID控制器，如果数据是通过频域响应获得的，先画出其对应的Nyquist曲线，可以得到系统的剪切频率Wc和极限增益KC，同样，可以有(表一)给出的经验公式获得PID控制器的参数。控制

6、器类型由阶跃响应整定由频率响应整定KpTiTdKpTiTdPT/K*00.5KP0PI0.9T/K*3*00.45KP0.833P0PID1.2T/K*2*/20.6KP0.5P0.125P（表一）(1)设想对被控对象（开环系统）施加一个阶跃信号，通过实验方法，测出其相应信号，如下图所示,则输出信号可由图中的形状近似确定参数K（静态放大系数），(l)（滞后时间），和Tm（时间常数），获得上述参数后就可以根据表一得出控制器的参数。图中L表示，Tm表示T。举例：某个控制系统的对象参数为：G（s）=，求取其P、PI、PID控制的响应曲线。Matlab程序如下：K=1;T=15;tao=5;n

7、um0=1;den0=[151];[num1,den1]=pade(tao,3);%生成纯延迟环节的3阶近似传递函数模型num=conv(num0,num1);den=conv(den0,den1);G=tf(num,den);%生成开环传递函数s=tf('s');%定义拉普拉斯变量因子%P控制其设计PKp=T/(K*tao);GK1=PKp*G;sys1=feedback(GK1,1,-1);step(sys1,'k')%求p控制作用下系统单