连续系统pid控制器设计及参数整定(实验)

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1、连续系统PID控制器设计及其参数整定1实验目的1.掌握PID控制规律及控制器实现；2.对给定系统合理地设计PID控制器；3.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。2实验设备PC机（装有MATLAB软件）一台。3实验原理PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。在控制系统的设计与校正中，PID控制规律的优越性是明显，它的基本原理却比较简单。基本的PID控制规律可描述为：Gc（$）=岛+乞+K/或（$）=心（1+丄+7＞）sTjS在串联校正屮，比例控制可提高系统开环增益，减少系统稳态误差，提高系统的控制精度，但会降低系统的

2、相对稳定性，其至造成系统闭环系统不稳定；积分控制可以提高系统的型别，有利于提高系统稳态性能，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点，是信号产生90°的相位滞后，对系统的稳定不利，故不宜采用单一的积分控制器；微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性，但微分控制增加了一个（-1/r）的开环零点，使系统的相角裕度提高，因此有助于系统动态性能的改善。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，它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。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类

3、：1）理论计算整定法。主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。2）工程整定方法。主要有Ziegler-Nichols整定法、临界比例度法、衰减曲线法。a.Ziegler-Nichols整定反应曲线法K反应曲线法适用于对象传递函数可近似为严（单位响应曲线可近似成一条S形7+1曲线）的场合。先测出系统处于开环状态下的动态特性（即先输入单位阶跃信号，测得被控对象输出的阶跃响应曲线），如图1所示，然后根据动态特性估算出对象特性参数：被控对象的增益K、等效滞后时间厶和等效时间常数T,然后根据表1屮的经验值选収控制器参数。y(tA衣1反应曲线法pid控制器参数骆定

4、控制类型比例系数$积分时间口微分时间TdPT/KL000PI0.9T/KLL/0.30PID1.2T/KL2L0.5Lb.临界比例度法临界比例度法适用于C知对彖传递函数的场合，用系统的等幅振荡曲线来整定控制器的参数。先使系统(闭环)只受纯比例作用，逐渐增大K值，直到系统出现等幅振荡的临界稳定状态，此时比例增益的K作为临界比例爲，等幅振荡周期为临界周期几，根据表2屮的经验值可整定PID控制器的参数。表2临界比例度法PID控制器参数整定控制类型比例系数$积分时间口微分时间TdP0.5心000PI0.45K,”几/1.20PID0.6K加0.5Tm0.125TmC.衰减曲

5、线整定法衰减曲线整定法根据衰减特性整定控制器参数。先在纯比例控制作用下调整增益K,获得闭环系统在衰减比为4:1(即P

6、/P2=4:l)下的增益K、两个相邻波峰间的时间间隔人、上升时间然后根据表3确定PID控制器参数。衰减曲线整定法对生产过程的影响较小，被广泛使用。表3衰减曲线整定法幣定控制器参数控制类型积分时间7}微分时间TaPoo0PI2.或0.57；0PID1.2匚或0.37；0.4•或0」人4实验内容1.比例控制控制系统如图1所示，其中G⑸为三阶被控对象模型：G（5）=,（5+1）（5+3）（5+5）H⑸为单位反馈，对系统釆用纯比例控制，比例系数分別为K0=O

7、.l,1.024,3.0,3.5,观察系统单位阶跃响应，分析比例控制对被控对象的作用。图2控制系统框图Editor-C:UsersjiayoullcDesktopP.PUBL...VI...RunSection园Advancet>RunRunandAdvanceBREAKPOINTSRUN

8、P-mX1+1一clc:clear:□2一num=[10]:3一den=conv([h1],conv([b3],[1，5]));—4—G=tf(num,den)55-Kp=[0.1,1.0,2.4,3.0,3.5]:FILEEDITNAVIGATEBreakpoints

9、fori=l:5RunandTime8910111213sys=feedback(Kp(i)1)step(sys):holdonendlegend('Kp=0.1；Kp=l.O',Kp=2.4'',Kp=3.0,Kp=3.5'):scriptLn5Col12.比例微分控制10控制系统如图2所示，其中銅为三阶被控对象模型：％）的）（+）（+）丹⑸为单位反馈，对系统釆用比例微分控制，比例系数Kp=,微分系数分别取刀二0,0.3,0.7,1.5,3,观察系统单位阶跃响应，分析比例微分控制对被控对象的作用。R(图3控制系统框图3.比例积分控制控制系统如图2所示，其中羽