单回路控制系统整定

1、单回路控制系统整定一、实验目的(1) 掌握动态建模的创建方法。(2) 掌握单回路控制系统的理论整定方法和工程整定方法(3) 了解调节器参数对控制品质的影响。(4) .熟悉控制线性系统仿真常用基本模块的用法二、实验仪器计算机一台、MATLAB软件三、实验内容：用SIMULINK建立被控对象的传递函数为G(x) ，系统输(10s+1)入为单位阶跃，采用PID控制器进行闭环调节。 练习模块、连线的操作，并将仿真时间定为300秒，其余用缺省值； 试用稳定边界法和衰减曲线法设置出合适的PID参数，得出满意的响应曲线。 设计M文件在一个窗口中绘制出系统输入和输出的曲线，并加图 解。四、实验原理.PID (

2、比例-积分-微分)控制器是目前在实际工程中应用最为广泛 的一种控制策略。PID算法简单实用，不要求受控对象的精确数学模型。.模拟PID控制器典型的PID控制结构如图所示PID控制器.PID控制规律写成传递函数的形式为E(s)iKiG(s)Kp(1TdS)= KpKdSU (s)TiSsK式中，Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；丁二一为积Ki分时间常数；Td=0为微分时间常数；简单来说，PID控制各校正环 Kp节的作用如下：(1) 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生， 控制器立即产生控制作用，以减少偏差。(2) 积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分

3、作用 的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则 越强。(3) 微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差 信号变得太大之前，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。五、实验步骤(1) 启动计算机，运行MATLAB应用程序。(2) 在 MATLAB 命令窗口输入 Smulink,启动 Simulink。(3) 在Simulink库浏览窗口中，单击工具栏中的新建窗口快捷按钮 或在Simulink库窗口中选择菜单命令 File-； New-； Modeel,打开一个 标题为“ Un titled ”的空白模型编辑窗口。(4) 用鼠

4、标双击信号源模块库(Source)图标，打开信号源模块库， 将光标移动到阶跃信号模块(Ste p)的图标上，按住鼠标左键，将其 拖放到空白模型编辑窗口中。用鼠标双击附加模块库(Simulink Extra) 图标，打开Additional Liner模块库,将光标移动到PID Conttroller图 标上，按住鼠标左键，将其拖放到空白模型编辑窗口中。(5用同样的方法从数学运算模块库(Math Operations)连续系统模 块库(Continuous)和接受模块库(Sinks)中，中把传递函数模块(Transfer Fen)、示波器模块(Scope和加法器模块()Sum)拖放到空白模型编

5、辑窗口中。(6) 用鼠标单击一个模块的输出端口并用鼠标拖放到另一模块的输 入端口，完成模块间的连接，若需要画支线时，把光标移到有向线段 任意点处，按下“ Ctrl”键同时按下鼠标左键，拖动鼠标到所需模块。(7) 构造图1所示的单回路反馈系统的仿真模型，其中控制对象由 子系统创建，如图2图1Tra nsfw Fgn1Transfef Fon2Transfer Fai3CDOut1图2示，创建子系统的方法是：用鼠标选定待构成子系统的各个模块，包 括它们之间的连接线，单击鼠标右键再单击 Create Subsysten即可。（8） 设调节器为比例调节器，对象传递函数为：（其中（1+Ts）n Ko =

6、1,T =10, n =4），用广义频率特性法按衰减率0.75 计算调节器的 参数；根据 计算结果设置PID调节器的参数，启动仿真，通过示波 器模块观测并记录系统输出的变化曲线。（9）用响应曲线法整定调节器的参数。 求出对象的阶跃响应曲线。 根据响应曲线求取对象的动态特性参数。 按表1计算调节器的参数，并根据计算结果设置PID调节器的参数。 启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。（10）用临界曲线法整定调节器参数。 先将调节器改成纯比例作用（使 T=Td=0），并将比例增益置于 较小的数值，然后将系统投入闭环运行。启动仿真，通过示波器模块 观测并记录系统输出的变化曲线。 逐渐增

7、加比例增益，观测不同比例 增益下的调节过程，直到调节过程出现等幅振荡为止， 记录此时的比 例带十和系统的临界振荡周期 Tk。 根据求得的和Tk,由表2可求得调节器的整定参数。 将调节器参数设置好，作系统的定值阶跃扰动试验，观测控制过程, 并根据响应曲线适当修改整定参数。（11）用衰减曲线法整定调节器参数。先将调节器改成纯比例作用T；Td=O，并将比例增益置于较小的 数值，然后将系统投入闭环运行。启动仿真，通过示波器模块观测并 记录系统输出的变化曲线。逐渐增加比例增益，观测不同比例增益 下的调节过程，直到调节过程出现衰减率为0.75的振荡为止，记录此时的比例带飞和系统的临界振荡周期Ts。由表3可

8、求得调节器的整定参数。将调节器参数设置好，作系统的定值阶跃扰动试验，观测控制过程， 适当修改整定参数，直到控制过程满意为止。表4-3临界曲线法整定参数计算表控制规律调节器参数dTiTdP2d kPI2.2 6 k0.85 TkPID1.67 k0.5 TkTi表4-4衰减曲线法整定参数计算表控制规律调节器参数6TiTdP2d sPI1.2 6 s0.5 TsPID0.8 6 s0.3 Ts0.1 Ts六、实验曲线及数据处理、，1）临界曲线法将调节器改成纯比例积分，即Ki =0，Kd=0。调整Kp到出现等幅震荡, 此时心=4。 如图3。图31由图可知二 一=0.25，T/66S Kp又由临界曲线

9、法整定参数计算表及以下公式关系Kp得到调节器的参数：Kp=2.4, Ki =0.0727, Kd=19.8修改PID参数得到的曲线图4图4(2)衰减曲线法将调节器改成纯比例积分，Ki=0 , Kd=0。调整Kp直到调节过程衰减率为0.75的震荡为止，此时Kp=1.87。如图5图51由图可知s二丄=0.535, Ts=78sK p由衰减曲线法整定参数计算表及以下公式关系一丄TT -鱼sKi，TKp得到调节器的参数：Kp=2.33,心=0.09996, =18.174修改PID参数得到的曲线图6图6七、实验总结1、P控制规律控制及时但不能消除余差，I控制规律能消除余差但控 制不及时且一般不单独使用， D 控制规律控制很及时但存在余差且不 能单独使用。2、比例系数越小，过渡过程越平缓，稳态误差越大；反之，过渡过 程振荡越激烈，稳态误差越小；若 Kp 过大，则可能导致发散振荡。Ti 越大，积分作用越弱，过渡过程越平缓，消除稳态误差越慢； 反之，过渡过