过程控制课设报告PID整定方法的比较与研究.docx

过程控制课设报告PID整定方法的比较与研究.docx

《过程控制课设报告PID整定方法的比较与研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制课设报告PID整定方法的比较与研究.docx（20页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

过程控制课设报告PID整定方法的比较与研究

《过程控制》

课程设计报告

题目：

PID整定方法的比较与研究

姓名：

学号：

专业：

电气自动化

年级：

2009

指导教师：

2012年4月23日

1、任务书∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙1

2、设计内容∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2

2.1、单回路控制系统模型建立∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙2

2.2、用临界比例度法整定P、PI控制器参数∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙3

2.3、用衰减振荡法整定P、PI控制器参数∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙4

2.4、用反应曲线法整定P、PI控制器参数∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙5

2.5、系统性能测试∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙6

2.6、扰动测试∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙9

3、设计总结∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙13

3.1、三种整定方法的比较∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙13

3.2、P、PI控制效果的比较∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙14

3.3、设计过程中遇到的问题及解决方法∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙15

4、心得体会∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙15

1任务书

一、设计题目

PID整定方法的比较研究

二、设计任务与原始数据

设计水槽水位单回路控制系统如图1所示：

图1水槽水位控制系统

在阀门开度u阶跃变化50%时，测得液位的响应数据如表1所示：

（1）液位必须控制在一定范围内，否则会影响系统的稳定运行，出现安全事故。

液位

测量变速器的测量范围为100400mm。

已知测量变送环节均为线性测量变送元件。

（2）控制系统采用DDZ-III型仪表，输入输出信号为标准电流信号。

（3）阀门为直线特性。

三、设计内容

1、用具有纯滞后的一阶惯性环节近似该被控过程的数学模型；

2、分别用临界比例度法、衰减振荡法、反应曲线法整定P，PI控制器参数；

3、利用MATLAB/SIMULINK构建单回路控制系统模型；

4、测试系统液位设定值为300mm时的响应曲线，计算性能指标；

5、在系统稳定状态下，阀门2加入10%开度的扰动，测试系统的响应曲线，计算性

能指标；

6、比较不同整定方法的控制效果。

7、比较P、PI控制效果。

2设计内容

2.1单回路控制系统模型建立

由响应数据可得如图2的响应曲线：

图2阶跃响应的拟合曲线

用具有纯滞后的一阶惯性环节近似该被控过程的数学模型：

利用MATLAB/SIMULINK构建单回路控制系统模型如图3所示：

图3单回路控制系统模型

2.2用临界比例度法整定P、PI控制器参数

具体整定步骤如下：

①将控制器的积分时间TI置于最大（TI=∞），比例带置为较大的数值,把系统投入闭环运行。

②系统稳定后，施加一个阶跃输入；减小比例度，直到出现等幅振荡为止。

记录临界比例带

和等幅振荡周期

。

③根据

和

，采用表2中的经验公式，计算控制器各参数。

表2采用临界比例度法的整定参数

系统的临界振荡过程如图4所示：

图4系统的临界振荡过程

由表2的经验公式可得：

P控制器参数：

PI控制器参数：

2.3用衰减振荡法整定P、PI控制器参数

具体整定步骤如下：

①将控制器的积分时间TI置于最大（TI=∞），比例带置为较大的数值,把系统投入闭环运行。

②系统稳定后，施加一个阶跃输入；减小比例度，直到出现如图5所示衰减比n=4:

1的振荡过程。

记录此时的比例带

和相应的衰减振荡周期

。

③根据

和

，采用表3中的经验公式，计算控制器各参数。

表3衰减曲线法整定计算公式

系统的衰减振荡过程：

（

）

图5系统的衰减振荡过程

由表3的经验公式可得：

P控制器参数：

PI控制器参数：

2.4用反应曲线法整定P、PI控制器参数

根据齐格勒（Ziegler）-尼科尔斯（Nichols）整定公式，如表4所示：

表4自衡过程的整定计算公式

P控制器参数：

PI控制器参数：

2.5系统性能测试

测试系统液位设定值为300mm时的响应曲线，并计算性能指标

①临界比例度法

P控制：

其响应曲线如图6所示：

图6临界比例度法P控制设定值的响应曲线

超调σ％=（230.5-157.16）/157.16×100％=46.67％

调节时间ts=3.26min（Δ=0.05）

峰值时间tp=1.2067min

稳态误差E（∞）=300-157.16=142.84mm

PI控制：

其响应曲线如图7所示：

图7临界比例度法PI控制设定值的响应曲线

超调σ％=0

调节时间ts=4.95min（Δ=0.05）

峰值时间tp=1.4073min

稳态误差E（∞）=0

②衰减振荡法

P控制：

其响应曲线如图8所示：

图8衰减振荡法P控制设定值的响应曲线

超调σ％=（263.627-167.886）/167.886×100％=57.03％

调节时间ts=4.04min（Δ=0.05）

峰值时间tp=1.1858min

稳态误差E（∞）=300-167.89=132.11mm

PI控制：

其响应曲线如图9所示：

图9衰减振荡法PI控制设定值的响应曲线

超调σ％=（362.067-300）/300×100％=20.69％

调节时间ts=3.01min（Δ=0.05）

峰值时间tp=1.4569min

稳态误差E（∞）=0

③反应曲线法

P控制：

其响应曲线如图10所示：

图10反应曲线法P控制设定值的响应曲线

超调σ％=（151.076-123.11）/123.11×100％=22.72％

调节时间ts=1.80min（Δ=0.05）

峰值时间tp=1.3006min

稳态误差E（∞）=300-123.11=176.89mm

PI控制：

其响应曲线如图11所示：

图11反应曲线法PI控制设定值的响应曲线

超调σ％=（410-300）/300×100％=36.67％

调节时间ts=3.99min（Δ=0.05）

峰值时间tp=1.8312min

稳态误差E（∞）=0

2.6扰动测试

在系统稳定状态下（设定值为200mm），阀门2加入10%开度的扰动，测试系统的响应曲线，计算性能指标

①临界比例度法

P控制：

其响应曲线如图12所示：

图12临界比例度法P控制扰动的响应曲线

调节时间ts=1.84min（Δ=0.05）

稳态误差E（∞）=118.13-104.8=13.33mm

PI控制：

其响应曲线如图13所示：

图13临界比例度法PI控制扰动的响应曲线

调节时间ts=1.68min（Δ=0.05）

稳态误差E（∞）=0

②衰减振荡法

P控制：

其响应曲线如图14所示：

图14衰减振荡法P控制扰动的响应曲线

调节时间ts=1.63min（Δ=0.05）

稳态误差E（∞）=124.23-111.86=12.37mm

PI控制：

其响应曲线如图15所示：

图15衰减振荡法PI控制扰动的响应曲线

调节时间ts=1.73min（Δ=0.05）

稳态误差E（∞）=0

③反应曲线法

P控制：

其响应曲线如图16所示：

图16反应曲线法P控制扰动的响应曲线

调节时间ts=0.79min（Δ=0.05）

稳态误差E（∞）=98.63-82.07=16.56mm

PI控制：

其响应曲线如图17所示：

图17反应曲线法PI控制扰动的响应曲线

调节时间ts=1.85min（Δ=0.05）

稳态误差E（∞）=0

3设计总结

3.1三种整定方法的比较

通过以上试验可得用三种方法整定的P、PI控制时系统的性能指标如表5所示：

表5系统的性能指标

性能指标

整定方法

设定值SV=300mm

扰动（10%开度）

σ％

ts

（min）

tp

（min）

E（∞）（mm）

ts

（min）

E（∞）（mm）

临界比例度法

P

46.67％

3.26

1.2067

142.84

1.84

13.33

PI

0

4.95

1.4073

0

1.68

0

衰减振荡法

P

57.03％

4.04

1.1858

132.11

1.63

12.37

PI

20.69％

3.01

1.4569

0

1.73

0

反应曲线法

P

22.72％

1.80

1.3006

176.89

0.79

16.56

PI

36.67％

3.99

1.8312

0

1.85

0

共同点：

三种整定方法都是通过试验获取某些特征参数，然后再按照工程经验公式计算控制器的整定参数。

不同点：

临界比例度法和衰减曲线法都是闭环整定方法，其优点是不需要掌握被控过程的数学模型。

但这两种方法都存在一定的缺点，如对于临界比例度，由于有些过程控制系统不允许反复振荡试验，有些时间常数较大的单容过程采用比例控制时根本不可能出现等幅振荡，即不能应用此法；对于衰减曲线法，要确定系统4:

1的衰减程度比较困难，从而使获得的

值和

值可能存在误差。

反应曲线法是开环整定方法，即通过系统开环试验得到被控过程的特征参数后，再对控制器参数进行整定。

这种方法的适用性较广，并为控制器参数的最佳整定提供了可能。

与其他两种方法相比，反应曲线法所受试验条件的限制较少，通用性较强。

从控制效果来看，对于三种整定方法得到的PI控制器，衰减振荡法的控制效果比其他两种方法相对较好，如就调节时间这一性能指标（如表5所示），衰减振荡法ts=3.01min，而临界比例度法ts=4.95min，反应曲线法ts=3.99min，可见相比其他两种方法，衰减振荡法整定的PI控制器使系统具有较好的动态性能。

从抗干扰能力来看，就PI控制，在系统稳定状态下，给系统加入扰动时，从系统再次恢复稳定状态的动态性能看（如表5所示），临界比例度法ts=1.68min，衰减振荡法ts=1.73min，反应曲线法ts=1.85min，可见临界比例度法和衰减曲线法的抗干扰能力都优于反应曲线法。

3.2P、PI控制效果的比较

P控制

当比例带分别为0.7375、0.851、1.3449时，相应的稳态误差分别为132.114mm、142.84mm、176.89mm，相应的超调分别为57.03％、46.67％、22.72％（如表5所示），可见①比例控制是一种有差调节，即当采用比例控制时，不可避免的会使系统存在稳态误差；②比例控制的稳态误差随比例带的增大而增大；③随着比例带的减小，系统的稳定性变差。

PI控制

当系统采用PI控制时，系统的稳态误差为0，可见积分控制可以提高系统的稳态控制精度；从对比P、PI控制时系统的调节时间可见（如表5所示），积分作用降低系统的振荡频率，使闭环控制系统的响应变慢；从抗干扰能力看，PI控制能使系统在出现扰动后快速恢复到原来的稳定值。

3.3设计过程中遇到的问题及解决方法

①如何利用MATLAB对响应数据进行曲线的拟合。

解决方法：

通过查看相关MATLAB的书籍，了解MATLAB曲线拟合的相关知识。

②如何使仿真得到的响应曲线光滑。

解决方法：

通过SimulationConfigurationParameters…打开仿真参数设置对话框，设置Maxstepsize=0.01。

③如何从Scope中的曲线上准确读取某点的坐标值。

解决方法：

通过鼠标不断单击曲线上要读取的点直到能从坐标轴上读取较准确的坐标值。

4心得体会

通过此次的课程设计不仅检验了我所学的知识，而且还让我从中学到了更多的知识，也提高了我的实践能力。

在做课程设计之前，由于对MATLAB了解甚少，因此通过查看相关的书籍使我初步学会了如何利用MATLAB进行控制系统的设计与仿真，这促使我能够主动地通过查阅书籍去获取自己所欠缺的知识。

通过用临界比例度法、衰减振荡法、反应曲线法整定P、PI控制器参数，让我学会如何利用这三种方法进行PID参数的整定，而且也让我对P、PI控制有了更深的了解。

另外通过对设计结果的分析与总结，让我从中培养了分析问题解决问题的能力。

在课程设计过程中，不免遇到了各种问题，通过老师的帮助和查阅相关的书籍，使我能够很好地解决遇到的问题，这为我在今后如何去面对实践中遇到的问题积累了宝贵的经验。

总之，此次的课程设计虽然只有短短几个学识的时间，但这能让我从中受益匪浅。

不仅能巩固所学的知识，对所学知识有更深的理解和体会，还能培养各种能力，如实践动手能力、分析问题解决问题的能力，也积累了宝贵的经验。