PID仿真實驗2016

1、實驗1 閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真實驗PID控制算法仿真一、實驗目的1掌握PID控制規(guī)律及控制器實現(xiàn)。2掌握用Simulink建立PID控制器及構建系統(tǒng)模型與仿真方法。二、實驗設備計算機、MATLAB軟件三、實驗原理在模擬控制系統(tǒng)中，控制器中最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構成控制偏差。PID控制規(guī)律寫成傳遞函數(shù)的形式為 式中，為比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)；簡單來說，PID控制各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：主要

2、用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強。（3）微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。四、實驗過程1、在MATLAB命令窗口中輸入“simulink”進入仿真界面。2、構建PID控制器：（1）新建Simulink模型窗口（選擇“File/New/Model”）,在Simulink Library Browser中將需要的模塊拖動到新建的窗口中，根據(jù)PID控制器的傳遞函數(shù)構建出如下模型：各模塊如下： Math Operations模

3、塊庫中的Gain模塊，它是增益。拖到模型窗口中后，雙擊模塊，在彈出的對話框中將Gain分別改為Kp、Ki、Kd，表示這三個增益系數(shù)。 Continuous模塊庫中的Integrator模塊，它是積分模塊；Derivative模塊，它是微分模塊。 Math Operations模塊庫中的Add模塊，它是加法模塊，默認是兩個輸入相加，雙擊該模塊，將List of Signs框中的兩個加號（+）后輸入一個加號（+），這樣就改為了三個加號，用來表示三個信號的疊加。 Ports & Subsystems模塊庫中的In1模塊（輸入端口模塊）和Out1模塊（輸出端口模塊）。（2）將上述結構圖封裝成P

4、ID控制器。 創(chuàng)建子系統(tǒng)。選中上述結構圖后再選擇模型窗口菜單“Edit/Creat Subsystem” 封裝。選中上述子系統(tǒng)模塊，再選擇模型窗口菜單“Edit/Mask Subsystem” 根據(jù)需要，在封裝編輯器對話框中進行一些封裝設置，包括設置封裝文本、對話框、圖標等。本次試驗主要需進行以下幾項設置：Icon（圖標）項：“Drawing commands”編輯框中輸入“disp(PID)”，如下上圖示：Parameters(參數(shù))項：創(chuàng)建Kp,Ki,Kd三個參數(shù)，如下圖示： 至此，PID控制器便構建完成，它可以像Simulink自帶的那些模塊一樣，進行拖拉，或用于創(chuàng)建其它系統(tǒng)。3、搭建一

5、單回路系統(tǒng)結構框圖如下圖所示：所需模塊及設置：Sources模塊庫中Step模塊；Sinks模塊庫中的Scope模塊；Commonly Used Blocks模塊庫中的Mux模塊；Continuous模塊庫中的Zero-Pole模塊。Step模塊和Zero-Pole模塊設置如下： 4、構建好一個系統(tǒng)模型后，就可以運行，觀察仿真結果。運行一個仿真的完整過程分成三個步驟：設置仿真參數(shù)、啟動仿真和仿真結果分析。選擇菜單“Simulation/Confiuration Parameters”，可設置仿真時間與算法等參數(shù)，如下圖示：其中默認算法是ode45（四/五階龍格-庫塔法），適用于大多數(shù)連續(xù)或離散

6、系統(tǒng)。5、雙擊PID模塊，在彈出的對話框中可設置PID控制器的參數(shù)Kp,Ki,Kd：設置好參數(shù)后，單擊“Simulation/Start”運行仿真，雙擊Scope示波器觀察輸出結果，并進行仿真結果分析。比較以下參數(shù)的結果：（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4 （2）Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.5 （3）Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.76、以Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4這組數(shù)據(jù)為基礎，改變其中一個參數(shù)，固定其余兩個，以此來分別討論Kp,Ki,Kd的作用。7、分析不同調(diào)節(jié)器下該系統(tǒng)的階躍響應曲線（1）P調(diào)節(jié)Kp=8 （2）PI調(diào)節(jié)Kp=5,Ki=2 （3）PD調(diào)

7、節(jié)Kp=8.5,Kd=2.5 （4）PID調(diào)節(jié) Kp=7.5,Ki=5,Kd=3五實驗曲線及數(shù)據(jù)處理把實驗曲線記錄下來，并分析不同參數(shù)下的變化情況。六.總結1、P控制規(guī)律控制及時但不能消除余差，I控制規(guī)律能消除余差但控制不及時且一般不單獨使用，D控制規(guī)律控制很及時但存在余差且不能單獨使用。2、比例系數(shù)越小，過渡過程越平緩，穩(wěn)態(tài)誤差越大；反之，過渡過程振蕩越激烈，穩(wěn)態(tài)誤差越小；若Kp過大，則可能導致發(fā)散振蕩。Ti越大，積分作用越弱，過渡過程越平緩，消除穩(wěn)態(tài)誤差越慢；反之，過渡過程振蕩越激烈，消除穩(wěn)態(tài)誤差越快。Td越大，微分作用越強，過渡過程趨于穩(wěn)定，最大偏差越?。坏玊d過大，則會增加過渡過程的波

8、動程度。3、P和PID控制器校正后系統(tǒng)響應速度基本相同（調(diào)節(jié)時間ts近似相等），但是P控制器校正產(chǎn)生較大的穩(wěn)態(tài)誤差，而PI控制器卻能消除余差，而且超調(diào)量較小。PID控制器校正后系統(tǒng)響應速度最快，但超調(diào)量最大。小知識PID常用口訣: 參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查，先是比例后積分，最后再把微分加，曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大，曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳，曲線偏離回復慢，積分時間往下降，曲線波動周期長，積分時間再加長，曲線振蕩頻率快，先把微分降下來，動差大來波動慢，微分時間應加長，理想曲線兩個波，前高后低4比1。實驗2 離心泵恒流量控制實驗一實驗目的1測定離心泵恒流量控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下

9、，離心泵出口流量的過渡過程，利用最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間等參數(shù)評價離心泵恒流量控制系統(tǒng)的控制質量。2掌握比例度P、積分時間I參數(shù)在流量控制系統(tǒng)中的作用和對過渡過程品質指標的影響。二、實驗裝置 過程設備與控制多功能實驗臺三、實驗原理離心泵恒流量控制系統(tǒng)圖如圖1所示，控制過程如圖2所示。圖1離心泵恒流量控制系統(tǒng)圖 圖2離心泵恒流量控制過程離心泵恒流量控制系統(tǒng)為單回路簡單控制系統(tǒng)，安裝在離心泵出口管路上渦輪流量傳感器TT將離心泵出口流量轉換成脈沖信號，其脈沖頻率經(jīng)頻率/電壓轉換器轉換成電壓信號后輸出至流量調(diào)節(jié)器TC，TC將流量信號與流量給定值比較后，按PID調(diào)節(jié)規(guī)律輸出420mA信

10、號，驅動電動調(diào)節(jié)閥改變調(diào)節(jié)閥的開度，達到恒定離心泵出口流量的目的。離心泵恒流量控制系統(tǒng)方框圖如圖3所示?？刂茀?shù)如下：1 控變量y：離心泵出口流量Q。2 定值(或設定值)ys：對應于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值，在本實驗中取1.5 L/s。3 測量值ym：由傳感器檢測到的被控變量的實際值，在本實驗中為離心泵出口流量值Q。4 操縱變量(或控制變量)：實現(xiàn)控制作用的變量，在本實驗中為離心泵出口流量。使用電動調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器對離心泵出口流量進行控制。電動調(diào)節(jié)閥的輸入信號范圍：420mA；輸出：閥門開度0-16mm。5 干擾(或外界擾動)f：干擾來自于外界因素，將引起被控變量偏離給定值。在本實驗中采用

11、突然改變離心泵轉速的方法，改變離心泵出口壓力，人為模擬外界擾動給控制變量造成干擾。6偏差信號e 被控變量的實際值與給定值之差， e=ys-ym。ym-離心泵出口流量值Q。ys-離心泵出口流量設定值。7控制信號u 工業(yè)調(diào)節(jié)器將偏差按一定規(guī)律計算得到的量。離心泵恒流量控制系統(tǒng)采用比例積分控制規(guī)律(P1D)對離心泵流量進行控制。比例積分控制規(guī)律是比例與積分兩種控制規(guī)律的組合， 理想的PID調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學表達式為：圖3 離心泵恒流量控制系統(tǒng)方框圖假定在時間t=0之前，系統(tǒng)穩(wěn)定，且被調(diào)參數(shù)-離心泵的出口流量Q等于設定值。若在t=0時刻，外加壓力階躍干擾，離心泵出口壓力開始變化并按衰減振蕩的規(guī)律經(jīng)過一段時

12、間后，離心泵出口流量逐漸趨于穩(wěn)定。完成了一次過渡過程。 四、實驗步驟1. 將流量表設定值設為：SV=2.0 L/s，P=300，I=4； 2.開動冷水泵，關閉出口截止閥或出口球閥3.調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)旋鈕，使壓力表顯示值為0.45Mpa； 4.調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)旋鈕，使流量表顯示值為2.0 L/s；5.按下流量表下的自動按鈕；當流量穩(wěn)定后，鼠標點擊清空數(shù)據(jù)庫，鼠標點擊記錄數(shù)據(jù)，開始記錄數(shù)據(jù)；6.調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)旋鈕使壓力改變0.05Mpa左右，造成人為干擾，觀察流量恢復過程；7.退出組態(tài)王，運行數(shù)據(jù)處理程序，觀察溫度變化曲線。五、計算過渡過程質量指標1最大偏差A：被調(diào)參數(shù)的最大值。 2余差 ：當過渡過程終了時

13、，被調(diào)參數(shù)所達到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之差。3衰減比n：過渡過程曲線上同方向的相鄰兩個波峰之比，一般n取410之間為宜。4振蕩周期：過渡過程同向兩波峰(或波谷)之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，在衰減比相同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。5過度時間ts：從干擾作用發(fā)生的時刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時止，過渡過程所經(jīng)歷的時間。六、要求1寫出實驗報告。2回答思考題。思考題1 離心泵恒流量控制系統(tǒng)在壓力階躍干擾作用下，比例度P的大小對過渡過程會產(chǎn)生什么影響？2 離心泵恒流量控制系統(tǒng)在階躍壓力干擾作用下，積分常數(shù)I的大小對過渡過程會產(chǎn)生什么影響？中北大學機械工程與自動化

14、學院實驗報告課程名稱 過程裝備控制技術及應用 學號 1302054140 學生姓名 姜樹林 輔導教師 劉廣璞 系別過程裝備與控制工程實驗室名稱實驗時間1實驗名稱離心泵恒流量控制實驗2. 實驗目的（1）測定離心泵恒流量控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下，離心泵出口流量的過渡過程，利用最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間等參數(shù)評價離心泵恒流量控制系統(tǒng)的控制質量。（2）掌握比例度P、積分時間I參數(shù)在流量控制系統(tǒng)中的作用和對過渡過程品質指標的影響。3. 實驗內(nèi)容 在PID控制規(guī)律下，在相同干擾作用下，分別改變比例度、積分時間和微分時間的值對過渡過程的影響。4. 實驗原理離心泵恒流量控制系統(tǒng)圖如圖1所示，控

15、制過程如圖2所示。圖1離心泵恒流量控制系統(tǒng)圖 圖2離心泵恒流量控制過程離心泵恒流量控制系統(tǒng)為單回路簡單控制系統(tǒng)，安裝在離心泵出口管路上渦輪流量傳感器TT將離心泵出口流量轉換成脈沖信號，其脈沖頻率經(jīng)頻率/電壓轉換器轉換成電壓信號后輸出至流量調(diào)節(jié)器TC，TC將流量信號與流量給定值比較后，按PID調(diào)節(jié)規(guī)律輸出420mA信號，驅動電動調(diào)節(jié)閥改變調(diào)節(jié)閥的開度，達到恒定離心泵出口流量的目的。離心泵恒流量控制系統(tǒng)方框圖如圖3所示。控制參數(shù)如下：（1）控變量y：離心泵出口流量Q。（2）定值(或設定值)ys：對應于被控變量所需保持的工藝參數(shù)值，在本實驗中取1.5 L/s。（3）測量值ym：由傳感器檢測到的被控變

16、量的實際值，在本實驗中為離心泵出口流量值Q。（4）操縱變量(或控制變量)：實現(xiàn)控制作用的變量，在本實驗中為離心泵出口流量。使用電動調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器對離心泵出口流量進行控制。電動調(diào)節(jié)閥的輸入信號范圍：420mA；輸出：閥門開度0-16mm。（5）干擾(或外界擾動)f：干擾來自于外界因素，將引起被控變量偏離給定值。在本實驗中采用突然改變離心泵轉速的方法，改變離心泵出口壓力，人為模擬外界擾動給控制變量造成干擾。（6）偏差信號e 被控變量的實際值與給定值之差， e=ys-ym。ym-離心泵出口流量值Q。ys-離心泵出口流量設定值。（7）控制信號u 工業(yè)調(diào)節(jié)器將偏差按一定規(guī)律計算得到的量。離心泵恒流量控

17、制系統(tǒng)采用比例積分控制規(guī)律(P1D)對離心泵流量進行控制。比例積分控制規(guī)律是比例與積分兩種控制規(guī)律的組合， 理想的PID調(diào)節(jié)規(guī)律的數(shù)學表達式為：圖3 離心泵恒流量控制系統(tǒng)方框圖假定在時間t=0之前，系統(tǒng)穩(wěn)定，且被調(diào)參數(shù)-離心泵的出口流量Q等于設定值。若在t=0時刻，外加壓力階躍干擾，離心泵出口壓力開始變化并按衰減振蕩的規(guī)律經(jīng)過一段時間后，離心泵出口流量逐漸趨于穩(wěn)定。完成了一次過渡過程。 5. 實驗過程及步驟（1）將流量表設定值設為：SV=2.0 L/s，P=300，I=4； （2）開動冷水泵，關閉出口截止閥或出口球閥（3）調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)旋鈕，使壓力表顯示值為0.45Mpa； （4）調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)旋

18、鈕，使流量表顯示值為2.0 L/s；（5）按下流量表下的自動按鈕；當流量穩(wěn)定后，鼠標點擊清空數(shù)據(jù)庫，鼠標點擊記錄數(shù)據(jù)，開始記錄數(shù)據(jù)；（6）調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)旋鈕使壓力改變0.05Mpa左右，造成人為干擾，觀察流量恢復過程；（7）退出組態(tài)王，運行數(shù)據(jù)處理程序，觀察溫度變化曲線。6實驗結論及心得（1）改變P的值，過渡過程如下圖：圖4 P=30 I=5 D=0 圖5 P=40 I=5 D=0 圖6 P=50 I=5 D=0圖7 P=70 I=5 D=0（2）改變I的值，過渡過程結果下圖所示 圖8 P=50 I=7 D=0 圖9 P=50 I=9 D=0 圖10 P=50 I=14 D=0（3）結果分析：從（1）中可以看出P（比例度）越大，比例作用越弱，調(diào)節(jié)器的輸出越小，被控變量偏離給定值越大，過渡過程所花的時間越長；反之，比例度越小，最大偏差越小，振