过程控制系统课程设计

1、1、 设计目的与要求：了解并掌握单回路控制系统的构成和控制原理。了解PID参数整定的基本方法，如Ziegler-Nichols整定方法、临界比例度法或衰减曲线法。学会用matlab中的Simulink仿真系统进行PID参数整定。2、 设计正文：在热工生产过程中，最简单、最基本且应用最广泛的就是单回路控制系统，其他各种复杂系统都是以单回路控制系统为基础发展起来的。单回路控制系统的组成方框原理图如图1所示，它是由一个测量变送器、一个控制器和一个执行器（包括调节阀），连同被控对象组成的闭环负反馈控制系统。 变送器 对象 执行器 控制器 干扰 图1、单回路控制系统组成原理方框图控制器的参数整定可分为理

2、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。这种方法较为复杂繁琐，使用不方便，计算也不是很可靠，因此一般仅作为参考；而工程整定法，则是源于理论分析、结合实验、工程实际经验的一套工程上的方法，较为简单，易掌握，而且实用。常用的工程整定法有经验法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法等等，本设计中主要是应用Ziegler-Nichols整定方法来整定控制器的参数。参数整定的基本要求如下所述：1、 通过整定选择合适的参数，首先要保证系统的稳定，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定的稳定裕度，

3、即要求过程有一定的衰减比，一般要求4：110：1。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地小，而快速性就是要求控制时间尽可能地短。总之，以稳定性、快速性、准确性去选择合适的参数。目前工程上应用最广泛的控制是PID控制，这种控制原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性强，其控制品质对被控对象的变化不太敏感。（1） 比例控制（P控制）：Gc(s)=Kp=1/；（2） 比例积分控制（PI控制）：Gc(s)=Kp(1+1/TIs)=1/(1+1/TIs)；（3） 比例积分微分控制（PID控制）：Gc(s)=Kp(1+1/TIs+TD

4、s)。Ziegler-Nichols法是一种基于频域设计PID控制器的方法，根据给定对象的瞬态响应来确定PID控制器的参数。如果单位阶跃响应曲线看起来是一条S形的曲线，则可用如下传递函数近似： =利用延迟时间L、放大系数K、和时间常数T，根据表1中的公式确定Kp、TI、TD的值（令=KL/T)控制器类型KpTITDP1/0PI0.9/3L0PID1.2/2L0.5L例：如图所示的控制系统：G0(S)Gc(s) R(s) + C(s) -系统的开环传递函数G 0(s)=1/(s+1)6，采用Ziegler-Nichols法整定系统P、PI、PID控制器的参数，并绘制系统的阶跃响应曲线。用最小二乘

5、拟合方法求出该传递函数的一阶延迟近似模型，程序如下：functionK,L,T=getfold(G)y,t=step(G);fun=inline(x(1)*(1-exp(-(t-x(2)/x(3).*(tx(2),x,t);x=lsqcurvefit(fun,1 1 1,t,y);K=x(1);L=x(2);T=x(3)；在命令窗口输入：s=tf(s);G=1/(s+1)6;K,L,T=getfold(G);得出：K=1.0542,L=3.1621,T=3.5147;则系统的一阶延迟模型近似为：G0(S)=；继续输入：s=tf(s);G=1/(s+1)6; K=1.0542;T=3.5147;

6、L=3.1621;a=K*L/T Kp=1/a %P控制 Kp=0.9/a,TI=3*L %PI控制 Kp=1.2/a,TI=2*L,TD=0.5*L %PID控制 得：a=0.9484 Kp=1.0544 Kp=0.9489 TI=9.4863 Kp=1.2652 TI=6.3242 TD=1.5811则，所设计的控制器模型为： P控制：GC(S)=1.0544 PI控制：GC(S)=0.9489(1+1/9.4863s) PID控制：GC(S)=1.2652(1+1/6.3242s+1.5811s)。建立如图所示的Simulink仿真模型：将Kp值置1，把反馈连线，微分器的输出连线，积分器

7、的输出连线都断开，选定仿真时间，可得出系统开环的单位阶跃响应曲线：P控制时，将Kp设为1.0544，将反馈连线连上，仿真运行，得到响应曲线：PI控制时，将Kp设为0.9489，TI设为9.4863，将积分器的输出连线连上，仿真运行得出响应曲线：PID控制时，将Kp设为1.2652，TI设为6.3242，TD设为1.5811，将微分器的输出连线连上，运行仿真得出响应曲线：将三种控制下的响应曲线可以看出，P控制和PI控制两者的响应速度基本相同，因为这两种控制的比例系数不同，因此系统稳定的输出值不同，PI控制的超调量比P控制的要小，PID控制比P控制和PI控制的响应速度快，但是超调量大些。通过变化各

8、项参数的大小可以总结出以下几条基本的PID参数整定规律：1、 增大比例系数一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变差。2、 增大积分时间有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。3、 增大微分时间有利于加快系统的响应速度，使系统的超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。3、 设计心得体会：通过这次的设计实验，我进一步巩固了书本中所学的单回路控制相关的内容，掌握了有关PID控制的相关知识和内容。同时学会了用Ziegler-Nichols方法整定PID控制器的各种参数，用Matlab中的Simulink仿真系统求出系统的阶跃响应曲线，收获