华南农业大学过程控制实验报告.docx
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华南农业大学过程控制实验报告
实验一PID参数整定
一、实验目的
1、了解PID调节原理，P、I、D对被控系统调节过程的影响。
2、利用Simulink工具箱对PID参数进行整定。
二、实验设备
PC计算机一台，安装Matlab6.0（以上版本）。
三、实验原理和步骤
（一）实验原理
1、PID控制参数
PID调节的动作规律是
（式1-1）
式1-1中，Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；TD为微分时间常数；u（t）为控制器输出；e（t）为控制器输入。
2、PID参数Kp、Ti、TD对控制过程的影响
（1）比例系数Kp。
增大Kp，比例带
减小，加快系统的响应速度，有利于减小残差，但不能消除残差。
Kp过大会使系统产生超调，振荡次数增多，调节时间长，影响系统的稳定性。
（2）积分时间常数Ti。
增大Ti，可减小超调，减小振荡，使系统稳定，消除残差。
（3）微分时间常数TD。
加入TD调节，可改善系统动态特性，减小超调量，缩短调节时间。
微分时间过大或过小都会影响超调量，只有适当的微分时间常数才能获得满意的调节过程。
微分作用使得系统对扰动变敏感。
（二）实验内容
1、过程控制系统常用的PID调节器传递函数为
（式1-2）
式1-2中，Kp，Ki，KD分别是比例系数、积分系数、微分系数。
2、某被控对象为二阶惯性环节，其传递函数为：
；测量装置和调节阀的特性为：
。
现采用稳定边界法整定PID参数：
（1）启动Matlab的Simulink工具箱，搭建系统方框图，如图1所示
图1
（2）双击图1中的3个Gain元件，在其对话框里填入Kp、Ki和Kd，将仿真环境中的“StopTime”设置为60，“Relativetolerance”设置为1e-5【在菜单栏simulation---configurationparameters】。
（3）在Matlab环境下初始化相应的PID参数变量。
回到MatlabCommandWindows，键入以下代码：
Kp=1；Ki=0；Kd=0；
（4）回到Simulink环境下，点击“开始”按钮开始仿真。
未整定PID参数前，在比例系数Kp=1的调节下，被控系统的输出曲线如图2所示。
图2
（5）利用稳定边界法整定PID三个参数。
先选取较大的Kp，例如100，使系统出现不稳定的增幅振荡，然后采取折半取中的方法寻找临界增益，例如第一个点是Kp=50，如果仍未增幅振荡则选取下一点Kp=25，否则选取Kp=75。
直到出现等幅振荡为止，如图3所示。
此时Kp=12.5，等幅振荡两峰值之间的时间为T=15.2s。
（大约值）
（6）按照稳定边界法计算PID参数。
稳定边界法的计算公式如表1所示。
调节规律
Kp
Ki
Kd
P
0.5Kp
—
—
PI
0.455Kp
0．535Kp/T
—
PID
0.6Kp
1.2Kp/T
0.075Kp*T
根据表1，计算得Kp=7.5，Ki=0.986，Kd=14.25。
回到MatlabCommandWindows，键入以下代码：
Kp=7.5；Ki=0.986；Kd=14.25；
然后回到Simulink环境下，点击：
“开始”按钮仿真，得阶跃响应曲线如图4所示：
从图4可得，系统的响应曲线过渡过程时间超过30s，超调量大于50%，可降低积分系数Ki重新进行仿真。
思考题：
1、减小Ki，保持Kp和Kd不变，使系统的阶跃响应超调量在30%左右。
2、如何调整Kp、Ki、Kd，使系统的阶跃响应没有超调量。
并用MATLAB仿真。
实验二单回路控制系统的设计与仿真
一、实验目的
1、了解PID调节原理，P、I、D对被控系统调节过程的影响。
2、掌握利用Simulink工具箱对单回路控制系统分别采用PID、PD和大积分PID控制规律的区别。
二、实验设备
PC计算机一台，安装Matlab6.0（以上版本）。
三、实验内容
1、已知被控对象的传递函数为
，执行器的传递函数为：
，检测变送仪表传递函数为
。
2、单回路控制系统的方框图，如图1所示。
图1
3、用MATLAB的Simulink画出上述系统，如图2所示。
图2
4、按照实验一设置图2回路1的PID参数，使得被控参数曲线没有超调。
记录此时Kp，Ki，Kd值和仿真曲线。
5、图2回路2采用PD调节，去掉积分调节作用，记录仿真曲线，与回路1曲线比较。
比较结果：
去掉了积分调节，曲线稳态值不能达到期望值。
6、图2回路3采用大比例积分PID调节，增大Ki=30，记录仿真曲线，与回路1和回路2曲线比较。
比较可以知道：
曲线产生明显的振荡，且达到稳定时间增加
实验三串级控制系统的设计与仿真
一、实验目的
1、了解串级控制系统的特点。
2、掌握利用Simulink工具箱对串级控制系统的参数进行整定的方法。
二、实验设备
PC计算机一台，安装Matlab6.0（以上版本）。
三、实验内容
1、已知主被控对象传递函数为：
，副被控对象传递函数为：
，副环干扰通道传递函数为：
，主、副测量变送装置和执行器传递函数分别为：
，
，
。
2、画出串级控制系统框图及想用控制对象下单回路控制系统的框图。
图1
图2
3、用MATLAB的Simulink画出上述两个系统，分别如图3串级控制系统和图4单回路控制系统。
图3
图4
4、图3中，分别设定主调节器和副调节器的参数，使得串级控制系统的控制性能良好。
记录仿真曲线。
（提示主调节器采用P比例调节，Kp在80-120之间，副调节器采用PD调节，Kp在40-60之间，Kd在15-25之间）。
5、图4中，采用步骤4所得到的主调节器参数，得到单回路控制系统的阶跃响应曲线，并记录下来，与图3的响应曲线做比较。
实验四Simth预估补偿控制仿真
一、实验目的
1、了解Simth预估补偿控制的特点。
2、掌握利用Simulink工具箱对采用Smith补偿器的反馈控制系统的PID参数进行整定的方法。
二、实验设备
PC计算机一台，安装Matlab6.0（以上版本）。
三、实验内容
1、已知被控对象的传递函数为：
2、画出采用Smith补偿器的反馈控制系统的方框图及相应的单回路控制系统方框图：
图1
图2
3、用MATLAB的Simulink画出上述系统，分别如图3的Smith补偿控制和图4单回路控制。
图3
图4
4、调节图3中的PID参数，使得采用Smith补偿器的反馈控制系统控制性能良好，并记录仿真曲线。
5、采用图3所调整的PID参数，作用于图4单回路控制系统中，记录仿真曲线，比较图3和图4两条仿真响应曲线。
分析图4单回路控制系统曲线失真原因。
图4单回路控制系统曲线失真的原因是没有对延迟环节进行补偿。
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