过程控制实验—自动化专业-PID整定

过程控制

实验报告

专业班级 自动化2011级1班

姓 名 昨日恰似风中雪

学 号 110******** 指导老师 * 老 师

目 录

第一章 前 言…………………………………1

第二章 综合实验…………………………………3

实验一：PID的各自作用 …………………………3 实验二：PID的整定………………………………10 实验三：比值系统仿真设计 ………………………14

第三章 心得体会…………………………………19

第一章 前 言

《过程控制与自动化仪表》课程既是一门理论课程，也是一门实用性较强的课程，因此本门课程主要设计了PID各自作用、PID整定以及比值系统仿真设计三次实验。通过实验主要为了达到理论知识与实践相结合的目的；实验主要利用MATLAB软件，对系统性质进行整定以及选择合适的比例增益、积分时间、微分时间等使系统性能达到最优。

实验一是PID各自作用，其主要研究比例系数、积分时间、微分时间大小对系统品质的影响，了解调节规律对调节质量的影响，进一步掌握P、I、D的调节规律：

1、比例增益的大小决定了比例调节的强弱，比例增益越大（系统处于稳定），系统响应时间加快，稳态误差减小，超调量增加。如果比例增益继续增大，可能导致系统不稳定。

2、积分调节可以提高系统的无差度，即提高系统的稳态控制精度，但积分调节过度过程变化缓慢，使系统稳定性变差。如果积分时间继续增大，可能使调节器进入深度饱和，失去调节作用。

3、微分时间的选择对系统质量的影响具有双面性。当微分时间较小的时候，增加微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小震荡程度，从而改善系统的质量。但当微分时间较大时，一方面可能将测量的噪声放大，另一方也可能使系统产生震荡。

实验二是PID的整定，其主要是通过临界比例度法和衰减曲线法来选择合适的比例增益、积分时间、微分时间以达到稳定的控制以及使得系统性能最好。通过实验一可以知道，不同的比例增益、积分时间、微分时间对系统的影响是不一样的，因此需要选择合适的参数来使系统响应达到最优。

PID调节具有明显的好处，加入比例调节，可加快反应过程，并减小稳态误差；加入积分作用则可以消除稳态误差，但是容易产生振荡；加入微分作用则可

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以减小振荡。但是PID三个参数的确定比较困难，如果选择不当，可能适得其反，达不到理想的效果。

整定的方法除了理论计算法外，还有工程整定法、最佳整定法和经验法。其中，工程整定法分为临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法。实验二主要利用临界比例度法和衰减曲线法来选取合适的参数。

实验三是比值系统仿真设计。在现代工业生产过程中，常常要求两种或两种以上的物料流量成一定的比例关系，如果比例失调，则会影响生产的正常进行，或者影响产品质量、浪费原料、污染环境等。

在比值控制系统中，双闭环比值控制系统的主动量回路可以按照单回路控制系统进行整定；变比值控制系统因结构上属于串级控制系统，所以主调节器可按串级控制系统的整定方法进行。其具体步骤可以归纳如下：

1、在满足生产工艺流量比的条件下，计算比值器的参数K， ，将比值控制系统投入运行。

2、将积分时间置于最大，并由大到小逐渐调节比例度，使系统响应迅速、处于振荡与不振荡的临界状态。

3、若欲投入积分作用，则适当增大比例度，再投入积分作用，并逐渐减小积分时间，直到系统出现振荡与不振荡或稍有超调为止。

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第二章 综合实验

实验一：PID的各自作用

一、实验目的

通过matlab软件仿真，分别进行比例、积分、微分调节，查看调节规律对调节质量的影响。 二、实验设备

PC机（含有matlab软件）。 三、实验内容

分别进行比例、积分、微分调节，查看调节规律对调节质量的影响。 四、实验内容：

1.比例调节（P作用）：

P作用方框图（无干扰）

P作用仿真图（无干扰）

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P作用方框图（有干扰）

P作用仿真图（有干扰）

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2.积分调节（I作用）：

I作用方框图（无干扰）

I作用仿真图（无干扰）

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I作用方框图（有干扰）

I作用仿真图（有干扰）

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3.微分调节（D作用）：

D作用方框图（无干扰）

D作用仿真图（无干扰）

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D作用方框图（有干扰）

D作用仿真图（有干扰）

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五、实验思考：

1、改变比例系数大小，论述其对控制品质的影响。如果比例系数继续增大，可能出现什么现象？

答：比例增益的大小决定了比例调节的强弱，比例增益越大（系统处于稳定），系统响应时间加快，稳态误差减小，超调量增加。如果比例增益继续增大，可能导致系统不稳定。

2、改变积分时间大小，论述其对控制品质的影响。如果积分时间继续增大，可能出现什么现象？

答：积分调节可以提高系统的无差度，即提高系统的稳态控制精度，但积分调节过度过程变化缓慢，使系统稳定性变差。如果积分时间继续增大，可能使调节器进入深度饱和，失去调节作用。

3、改变微分时间大小，论述其对控制品质的影响。如果微分时间继续增大，可能出现什么现象？

答：微分时间的选择对系统质量的影响具有双面性。当微分时间较小的时候，增加微分时间可以减小偏差，缩短响应时间，减小震荡程度，从而改善系统的质量。但当微分时间较大时，一方面可能将测量的噪声放大，另一方也可能使系统产生震荡。

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实验二：PID的整定

一、试验目的

通过matlab软件仿真，运用临界比例度法和反应曲线法对系统进行PID整定。

二、实验设备

PC机（含有matlab软件）。 三、实验内容

练习使用临界比例度法和反应曲线法对系统进行PID整定。 四、实验内容：

1、临界比例度法整定

临界比例度整定步骤：

①设置纯比例，比例度较大，系统稳定；

②施加阶跃，减小比例度，出现等幅振荡，记录此时的临界比例度δk和震荡周期Tk；（等幅振荡截图如下）

此时δk=1/30 ;Tk=5.41-2.61=2.8

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③查表计算，并运行调整（附表如下：）

调节规律 整定参数 参数 δ 2δk 2.2δk 1.7δk TI 0.85Tk 0.5Tk TD 0.13Tk P PI PID 根据上表计算可得：PI作用时，KP=13.6 , TI=2.38 附图如下：

PID

作用时，KP=17.7 , TI=1.4 , TD=0.35

附图如下

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2、衰减曲线法法整定

衰减曲线整定步骤：

①设置纯比例，比例度较大，系统稳定；②施加阶跃，减小比例度，出现4:1衰减比的曲线，记录此时的上升时间tp，此时的比例度δs和衰减周期Ts；（4:1衰减比的曲线截图如下）

此时δs=1/3.823 Ts=4.24-1.=2.7 ③查表计算，并运行调整（附表如下：） 衰减率ψ 调节规律 整定参数 δ 0.75 P PI PID δs 1.2δs 0.8δs TI 0.5Ts 0.3Ts TD 0.1Ts

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根据上表计算可得：

PI作用时，KP=3.14 , TI=1.35 附图如下：

PID作用时，KP=4.78 , TI=0.81 , TD=0.27 附图如下：

五、 实验结论

通过临界比例度法和衰减曲线法可以选择合适的比例增益、积分时间、微分时间这三个参数，使得系统的响应达到最优。临界比例度法和衰减曲线法相对于理论计算来说更具有工程实用性和普遍性。

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实验三：比值系统仿真设计

一、实验要求：

已知：主动量被控过程G1(s)=3/(15s+1) ，

从动量被控过程G2(s)=3/[(15s+1)(20s+1)]。 要求：主动量稳定于1，从动量稳定于2。 （提示：对2个过程分别进行PI或PID整定，然后再按双闭环构建比值系统。） 二、实验过程及相应结果

1、设计主动量，使其稳定于1

利用反应曲线法，给系统加一个阶跃响应，得到如下图形： 框图：

反应曲线：

从图可以得到K0=3，τo=0，T0=15

进行PI调节:

根据整定计算公式(教材P163)可计算的：δ=TI=0，Kc=1/δ=1/TI=∞

将Kc和TI的值置入PI调节器，给阶跃响应，调整参数，当Kc=10,1/TI=1时，响应曲线较好。附图如下：

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框图：

响应曲线：

2、用衰减曲线的方法整定从动量

（附：衰减曲线的具体方法详见实验二，此处不再赘述）

衰减率ψ 0.75 调节规律 P PI PID 整定参数 δ δs 1.2δs 0.8δs TI 0.5Ts 0.3Ts TD 0.1Ts

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框图：

衰减曲线：

当Ko=6 时，衰减比刚好为4:1，（附图如上所示）此时δs=1/6 ，Ts=37-14=23，则根据上表计算相应的参数： K=1/（0.8δs）=7.5 TI =0.3Ts=6.9

TD=0.1Ts=2.3，则此时可以进行PID整定，附图如下：

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框图：

PID整定曲线：

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3、按双闭环构建比值系统，实现主动量稳定于1，从动量稳定于2

框图：

反应曲线：

由此可见，通过对主动量和从动量的分别整定，然后再按双闭环构建比值系统即可满足设计要求。

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第三章 心得体会

通过实验一，我对比例、积分、微分作用对系统质量的影响有了深入的理解和掌握。试验的同时也练习使用了MATLAB软件，MATLAB软件对系统仿真的结果更加直接和清楚，这样使我对比例、积分、微分作用的认识更加全面和直观。

通过试验二，我对调节器参数整定方法有了深入的理解和掌握。经过试验，进一步理解了运用临界比例度法和反应曲线法来设置PID调节中的各个参数的优越性，这比理论计算更具有工程普遍性和使用性。通过调试设置各个参数，可以使系统响应达到最优。

通过实验三，我知道了比值控制系统的参数整定主要是讨论单闭环、双闭环以及变比值控制从动量回路的整定问题。由于这些回路本质上都属于随动系统，要求从动量快速、准确地跟随主动量变化，而且不宜有超调，所以最好整定在振荡与不振荡的临界状态。

通过实验直观深刻的反应了某些理论知识点。比如PID各自的调节规律，通过课本学习，或许仅能达到记住知识的目的，而通过实验不仅将PID的调节规律进行了验证，而且通过响应曲线更能清楚的记住其调节规律。

当然，在实验过程中，我也存在一些不足，当初实验时正值《现场总线》、《电气控制及可编程逻辑控制器》的考试复习阶段，在实验上花费的时间过少，有些问题并没有深入了解和学习。其次，对于MATLAB软件使用不太熟悉，对于实验得到的反应曲线不能熟练的做到修改线形、颜色、粗度等。（由于现在学了后期课程《MATLAB设计与系统仿真》，对于MATLAB软件的使用有了进一步的深入和学习）。

实验是除了课堂学习的第二课堂，通过实验可以加深理论知识的掌握与学习，可以夯实基础，同时也可以锻炼个人分析和解决问题的能力。总的来说，通过本次的三个实验，不仅增强了我对理论知识的理解，同时也培养了我解决实际问题的能力。通过对实际模型的分析，加之对理论知识的学习，通过MATLAB软件进行仿真，验证或探究实际问题，做到了理论与实际相结合的目的，收获还是挺多的，对于存在的不足，我希望自己能在今后的学习中加以改正。

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