实验三单回路自动调节系统的整定
一、实验目的
a)熟悉单回路调节系统的整定方法；
b)了解调节器参数对调节过程的影响。
二、实验内容
对下列调节系统进行仿真，先根据调节对象估算出调节器各参数（δ、T i、T d）的值，再观察各参数值的变化对调节过程的影响。
+
-
X
(S)Y(S)
n
S)1
(T
1
+
PID
调节对象的参数可自行选取，例如可选T0=10，n= 4或5。
进行仿真实验，当需要显示多条仿真曲线时可采用如下所示的仿真框图：
其中，PID模块可以从Simulink Extras |Additional Linear图形子库中提取。该模块传递函数
)
1
1(
1
)
(
PID
S
T
S
T
DS
S
I
P
S
G
d
i
+
+
=
+
=
δ
＋
或者我们自己可以构建这个功能模块，如下所示：
单回路调节系统的整定方法主要有临界比例带法、图表整定法和衰减曲线法等，下面介
绍其中两种，可任选其中一种方法进行实验。
1．临界比例带法
临界比例带法是在纯比例作用下将系统投入闭环运行，不断改变比例带δ的数值使调节系统产生等幅振荡，并记录对应的临界比例带δc和临界振荡周期T c。然后根据δc和T c得到系统所希望的衰减率时的其它整定参数。具体整定步骤如下：
（1）设置调节器整定参数T i→∞，T d=0，δ置于较大的数值后，将系统投入闭环运行。（2）系统运行稳定后，适量减小比例带的数值并施加阶跃扰动，观察被调量的变化，直到出现等幅振荡为止。记录此时的临界比例带δc和临界振荡周期T c。
（3）根据临界比例带δc和临界振荡周期T c，调节器中的整定参数可按下式计算：（i）P调节器：δ＝2δc；
（ii）PI调节器：δ＝2.2δc，T i＝0.85T c ；
（iii）PID调节器：δ＝1.67δc，T i＝0.5T c ；T d＝0.25T i。
所列的计算公式是按衰减率ψ=0.75时为依据的。根据调节系统采用不同的调节器类型，选用不同的计算公式，求出整定参数。
（4）将计算出的各整定参数值设置到调节器中，对系统作阶跃扰动试验，观察被调量的阶跃响应，适当修改各整定参数，直到满意为止。
2．图表整定法
图表整定法是通过被调对象阶跃响应曲线的特征参数，经查图表求取调节器各整定参数的。它适用于典型的多容热工被调对象，图表见附表1和附表2。
采用图表整定法首先对被调对象作阶跃扰动试验，记录阶跃响应曲线，求取阶跃响应曲线上的特征参数：自平衡率ρ、飞升速度ε、迟延时间τ和时间常数T c,然后通过附表1或附表2的计算公式计算调节器的各整定参数。表中的计算公式是依据衰减率ψ=0.75制定的，若需要得到其它衰减率数值，计算公式要进行修正。表中的计算公式适用于阶数较高的被调对象，对于一阶和二阶的被调对象，计算得到整定参数投入运行后将具有较大的衰减率（ψ＞0.75）。
三、实验结果
（1）根据整定法求得
P调节器：δ= 0.5
PI调节器：δ= 0.55 ；T i = 82.45
PID调节器：δ= 0.4175 ；T i = 48.5 T d = 12.125
利用计算得到的调节器参数进行仿真
仿真曲线（P、PI、PID对应的三条曲线）：
性能指标：
P调节器：衰减率ψ=（M
1-M
3
）/M
1
=(0.971-0.762)/（0.971-0.667）=0.685
超调量 M
p =（Y
max
-Y
∝
）/Y
∝
=(0.971-0.667)/0.667=0.456
动态偏差E
max
=0.971-1=-0.029
静态偏差E
∝
=0.667-1=0.333
峰值时间t
p =65s, 调节时间t
s
=257s
PI调节器：衰减率ψ=（M
1-M
3
）/M
1
=(1.261-1.084)/（1.26-1）=0.677
超调量 M
p =（Y
max
-Y
∝
）/Y
∝
=(1.261-1)/1=0.261
动态偏差E
max
=1.261-1=-0.261
静态偏差E
∝
=1-1=0
峰值时间t
p =82s, 调节时间t
s
=285s
PID调节器：衰减率ψ=（M
1-M
3
）/M
1
=(1.352-1.072)/（1.352-1）=0.795
超调量 M
p =（Y
max
-Y
∝
）/Y
∝
=(1.352-1)/1=0.352
动态偏差E
max
=1.352-1=0.352
静态偏差E
∝
=1-1=1
峰值时间t
p =79s, 调节时间t
s
=210s
（2）改变PID调节器参数进行仿真（i）保持T i 、T d不变，改变δ：
1/Δ=2, 1/ δ=2.4, 1/δ=4
仿真曲线（至少三条）：
（ii）保持δ、T d不变，改变T i：
1/Ti
1=2; 1/Ti
2
=2.4; 1/Ti
3
=4
仿真曲线（至少三条）：
（iv）保持δ、T i不变，改变T d：T
=5, T d2=12.125, T d3=25
d1
仿真曲线（至少三条）：
四、实验小结
P调节器：从调节过程中可知，δ增大，会使衰减加快，振荡减弱，但是静态偏差会加大，调节作用变小。所以，应在保证系统的稳
定下选择适当的衰减率。
PI调节器：从调节中可以发现，无论怎么调节，系统的静态偏差都为0。当积分时间减小，消除静态偏差的能力就越强，积分时间变大，
会使振荡加剧，衰减率下降。
PID调节器：通过微调，可以改变动态品质，使衰减率增加。
从这次试验，我对P、PI、PID调节器的特性有了更加的理解。这也解决了我在自动调节学习中的很多疑点，以后要更加深入的学习此软件。
实验四 三冲量双回路汽包给水调节系统的整定
一、实验目的
1． 学会复杂系统的分析整定；
2． 熟悉汽包给水自动调节系统整定的步骤；
3． 了解PI 调节器参数及分流系数对调节过程的影响。
二、实验内容
汽包给水三冲量自动调节系统方框图，如下所示。
图中，H 、D 、W 分别为汽包水位、蒸汽流量和给水流量；G o1(s)、G o2(s)分别为给水流量和蒸汽流量对汽包水位的传递函数：
)130(037.0)
1()(01++=
s s s s s G ＝
τε
， s
s s Ts K s G 037
.01156.3＝1)(02-
+-+=ε； γD 、γW 、γH 分别为蒸汽流量D 、给水流量W 和汽包水位H 测量变送器的传递系数，γD ＝γW ＝0.083，γH
＝0.033；αD 、αW 分别为蒸汽流量和给水流量的分流系数，αD ＝αW ＝0.21；K Z 、K u 分别为执行机构和阀门的特性系数，K Z ＝10，K u ＝2。
要求分别对三冲量汽包给水自动调节系统的内外回路进行整定，并进行计算机仿真。 系统中存在内、外两个闭合回路。内回路是由给水流量信号W 局部反馈构成，外回路是由汽包水位信号H 反馈到系统调节器输入端构成的。蒸汽流量信号D 只是引入的前馈信号，在系统中该信号并没有形成闭合回路，前馈调节不会影响系统的稳定性，在整定调节系统时，只需要对两个闭合回路进行稳定性的分析。
整定的具体步骤如下： 1．内回路的整定 内回路方框图如下所示。
内回路系统的闭环传递函数为
w
w z i i z i i K K s
T s T K K s T s
T s I s W γαδδ?μμ
+++=
111)
()
( 在内回路中有三个可以改变的参数：比例带δ、积分时间T i 和给水流量侧的分流系数αw ，可以把αw 归纳到调节器中构成一个等效调节器，等效调节器的传递函数为
)1
1()(*
s
T s G i w R +=
δα 等效调节器的等效比例带为 w
n αδ
δ=
*
在整定内回路时，先对αw 任意选取一个数值（如：αw =1），然后通过试验来改变δ和T i 的值，一般取T i 为5-10秒，再调整δ值直到满意为止，即把内回路整定为一个能迅速消除自发性内部扰动的快速随动系统。整定得到的结果是T i 数值和δ/αw 的比值，整定时αw 只是一个任意选取的值，在整定外回路时αw 是一个唯一的整定参数，一旦αw 有了确定的数值后，δ也要随之改变，以保证δ/αw 比值不变（即：内回路特性不因为αw 的改变而改变）。
2．外回路的整定
调节器参数可以设置得较小，使内回路成为快速随动系统，即：w w W I γα?=或
w
w s I s W γα1)()(≈?。去除不影响调节系统稳定性的前馈信号通道，可得到外回路系统方框图，如下所示。
外回路已可以看作是一个单回路调节系统，可采用整定单回路调节系统的方法来整定外回路。内回路在外回路中相当于处在调节器的位置，因此，外回路调节器的传递函数为：
w
w R s G γα1
)(*
=
外回路的调节器实际上是一个比例调节器,它的等效比例带为
w w w γαδ=*
因为w γ是一个确定的常数，所以外回路的稳定性及其它性能完全由w α来决定。
整定外回路时，可采用工程整定法来整定参数，得到w α值。如果利用图表法整定，首先通过试验获得广义被调对象的阶跃响应曲线（广义被调对象的输入信号为给水流量W ，输出信号是水位侧差压变送器的输出值）。求得ε和τ的数值，查图表求取整定参数。
w w w γαετδ==*
可求出
w
w γετ
α=
根据外回路整定得到的w α值，可求出调节系统比例积分调节器中的比例带δ值。
3．蒸汽流量侧D α的选择
要使静态偏差为零，静态时必须满足I D =I W ，即：
w w D D W D αγαγ=
在正常运行时，可认为D=W ，γD =γW ，则有
αD =αW
因此，为了克服静态偏差，蒸汽流量侧分流器的分流系数αD 必须等于给水流量侧分流器的分流系数αW 。
三、实验结果
1、内回路：
（1）整定得：T i ＝ 6 δ/αw = 0.015
（2）仿真曲线：
2、外回路：
（1）整定得：αw = 0.3 δ= 20 αD = 0.3
（2）仿真曲线：
（3）性能指标：
衰减率ψ=（M
1-M
3
）/M
1
=(37-31)/（37-30）=0.857
超调量 M
p =（Y
max
-Y
∝
）/Y
∝
=(37-31)/30=0.2
动态偏差E
max
=37-1=36
静态偏差E
∝
=30-1=29
峰值时间t
p =83s, 调节时间t
s
=215s
3、整个回路的系统整定和微调
（1）W为输入信号，仿真曲线如下
性能指标：
衰减率ψ=（M
1-M
3
）/M
1
=(10.5-0.7)/（10.5-0）=0.93
动态偏差E
max
=10.5-1=9.5
静态偏差E
∝
=0-1=-1
峰值时间t
p =46s, 调节时间t
s
=249s
H为输入信号，仿真曲线如下
性能指标
衰减率ψ=（M
1-M
3
）/M
1
=(37-31)/（37-30）=0.857
超调量 M
p =（Y
max
-Y
∝
）/Y
∝
=(37-31)/30=0.2
动态偏差E
max
=37-1=36
静态偏差E
∝
=30-1=29
峰值时间t
p =90s, 调节时间t
s
=200s
D为输入信号，仿真曲线如下
性能指标
衰减率ψ=（M
1-M
3
）/M
1
=(1.8-0.2)/（1.8-0）=0.889
动态偏差E
max
=1.8-1=0.8
静态偏差E
∝
=0-1=-1
峰值时间t
p =37s, 调节时间t
s
=207s
四、实验小结
从试验过程中，多次调节参数δ、αw、T，其数值的变动不影响系统的稳定性，只影响速度，在保证系统的稳定时，内回路越快越好。D的调节起前馈的作用，动态偏差小，就是防止虚假水位。而W的调节时的衰减率大，用于克服内扰，实现粗调。
从这次试验我更加了解到这软件对电厂自动调节的重要性，要好好学习，努力掌握此软件的操作技术，为以后的工作打下好的基础。
（注：本资料素材和资料部分来自网络，仅供参考。请预览后才下载，期待您的好评与关注！）
单回路控制系统整定实验报告 一、实验目的 (1)掌握动态模型的创建方法.。 （2）掌握单回路控制系统的理论整定方法和工程整定方法。 （3）了解调节器参数对控制品质的影响。 二、实验仪器 计算机一台 三、实验步骤 （1）启动计算机，运行MATLAB应用程序。 （2）在MATLAB命令窗口输入Smulink,启动Simulink。 （3）在Simulink库浏览窗口中，单击工具栏中的新建窗口快捷按钮或在Simulink库窗口中选择菜单命令File→New→Modeel,打开一个标题为“Untitled”的空白模型编辑窗口。 （4）用鼠标双击信号源模块库（Source）图标，打开信号源模块库，将光标移动到阶跃信号模块（Step）的图标上，按住鼠标左键，将其拖放到空白模型编辑窗口中。用鼠标双击附加模块库（Simulink Extra）图标，打开A到底提哦哪里Liner模块库，将光标移到PID Controller 图标上，按住鼠标左键，将其拖放到空白模块编辑窗口中。 （5）用同样的方法从连续系统模块库(Continuous)、接受模块库(Sinks)和数学运算模块库(Math Operations)中把传递函数模块(Transfer Fcn)、示波器模块(Scope)和加法器模块（Sum）拖放到空白模型编辑
窗口中。 （6）用鼠标单击一个模块的输出端口并用鼠标拖放到另一模块的输入端口，完成模块间的连接，如图1，图二。 图1 图二 （7）构造图1所示的单回路反馈系统的仿真模型。其中控制对象由子系统创建，如图2。 （8）设调节器为比例调节器，对象传递函数为： 0(1)n K T s （其中： 0K =1，0T =10，n=4），用广义频率特性法按衰减率0.75计算调节器的参数；
PID控制器的参数整定 (1)PID是比例,积分,微分的缩写. 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大,则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,
对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器。 (2) PID具体调节方法 ①方法一 确定控制器参数 数字PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。 在选择数字PID参数之前，首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。一般来说，PI、PID和P控制器应用较多。对于有滞后的对象,往往都加入微分控制。 选择参数 控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。这些要求，对控制系统自身性能来说，有些是矛盾的。我们必须满足主要的方面的要求，兼顾其他方面，适当地折衷处理。 PID控制器的参数整定，可以不依赖于受控对象的数学模型。工程上，PID控制器的参数常常是通过实验来确定，通过试凑，或者通过实验经验公式来确定。 常用的方法，采样周期选择， 实验凑试法 实验凑试法是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。 整定步骤 实验凑试法的整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。 （1）整定比例控制 将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。 （2）整定积分环节 若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。 先将步骤（1）中选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的参数。 （3）整定微分环节 若经过步骤（2），PI控制只能消除稳态误差，而动态过程不能令人满意，则应加入微分控制，构成PID控制。 先置微分时间TD=0，逐渐加大TD，同时相应地改变比例系数和积分时间，反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。 实验经验法 扩充临界比例度法
PID控制器参数整定的方法,口诀 P proportion 比例 I integration 积分 D differentiation 微分 PID用于控制精度比例是必须的,它直接影响精度,影响控制的结果 积分它相当于力学的惯性能使震荡趋于平缓 微分控制提前量它相当于力学的加速度影响控制的反应速度.太大会导致大的超调量使系统极不稳定.太小会使反应缓慢. 一般而言 PID调节是一个整体的说法在实际中 PID的比例积分微分并非总是同时使用 PI调节和PD调节使用较多. . PID调试步骤 没有一种控制算法比PID调节规律更有效、更方便的了。现在一些时髦点的调节器基本源自PID。甚至可以这样说：PID调节器是其它控制调节算法的妈。 为什么PID应用如此广泛、又长久不衰？ 因为PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。 由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID的参数也必须随之变化，以满足系统的性能要求。这就给使用者带来相当的麻烦，特别是对初学者。下面简单介绍一下调试PID参数的一般步骤： 1．负反馈 自动控制理论也被称为负反馈控制理论。首先检查系统接线，确定系统的反馈为负反馈。例如电机调速系统，输入信号为正，要求电机正转时，反馈信号也为正（PID算法时，误差=输入-反馈），同时电机转速越高，反馈信号越大。其余系统同此方法。 2．PID调试一般原则 a.在输出不振荡时，增大比例增益P。 b.在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。 c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。 3．一般步骤 a.确定比例增益P 确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此
单回路控制系统参数整定Last revision on 21 December 2020
课程设计报告 ( 2015-- 2016年度第2学期) 名称：过程控制系统 题目：单回路控制系统参数整定院系： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数：第十七周 成绩： 日期：2016年6月23日
《过程控制系统》课程设计 任务书 一、目的与要求 1．掌握单回路控制系统整定方法； 2．掌握PID参数对控制品质影响规律； 3．运用相应软件开发单回路控制系统整定程序。 二、主要内容 1．学习基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法； 2．开发单回路控制系统PID参数整定程序； 3．寻找不同PID参数对控制品质影响规律。 三、进度计划 四、设计成果要求 1．阐明基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法的基本原理； 2．完整的、可运行的单回路控制系统PID参数整定程序； 3．验证整定的PID参数下的控制效果，给出控制曲线图，同时给出其它PID参数下的控制曲线图，总结不同PID参数对控制品质影响规律。 五、考核方式 1．设计报告； 2．设计答辩。 二、设计（实验）正文 1.学习基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法； 1）经验法
内容： 经验法实际是一种试凑法，是在生产实践中总结出来的参数整定法，该法在现场中得到了广泛的应用。利用经验法对系统的参数进行整定时，首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；若调节过程不满足要求，则修改调节器参数，再作阶跃扰动试验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。 实验步骤： (1) 首先将调节器的积分时间Ti置最大，微分时间Td置最小，根据经验设置比例带δ的数值，完成后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率则可，否则改变比例带δ的值，重复上述试验，直到满意为止； (2) 将调节器的积分时间Ti由最大调整到某一值，由于积分作用的引入导致系统的稳定性下降，因而应将比例带适当增大，一般为纯比例作用的倍。系统投入闭环运行，待系统稳定后，作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率则可，否则改变积分时间Ti的值，重复上述试验，直到满意为止； (3) 将调节器的微分时间由小到大调整到某一数值，系统投入闭环运行，待系统稳定后，作阶跃扰动试验，观察调节过程，修改微分时间重复试验，直到满意为止； 2）临界比例带法 内容： 临界比例带法又称边界稳定法，首先将调节器设置成纯比例调节器，然后系统闭环投入运行，将比例带由大到小改变，观察系统输出，直到系统产生等幅振荡为止。记下此状态下的比例带数值（即为临界比例带δk）和振荡周期Tk，然后根据经验公式计算调节器的其它参数。 实验步骤： (1) 将调节器的积分时间Ti置于最大，微分时间Td置最小，即Ti→∞，Td＝0；置比例带δ为一个较大的值； (2) 系统闭环投入运行，待系统稳定后调整比例带δ的数值直到出现等幅振荡。记录并计算临界状态下临界比例带δcr和振荡周期Tcr，根据表2－1计算调节器的参数； (3)根据δcr和Tcr,由计算公式求得控制器的各个参数。
实验上水箱液位定值控制系统 一. 实验目的 1．了解闭环控制系统的结构与组成。 2．了解单闭环液位控制系统调节器参数的整定。 3．观察阶跃扰动对系统动态性能的影响。 二. 实验设备 1. THJ-2型高级过程控制系统装置 2. 计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根 三. 实验原理 单回路控制系统的结构/方框图: 它是由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成一个单闭环控制系统。系统的给定量是某一定值，要求系统的被控制量稳定至给定量。由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中已被广泛应用。 本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱液位在稳定时等于给定值。由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感检测作为反馈信号。其实验图如下：
过程：储水箱的水被抽出后经过电动调节阀调节进水量送给上水箱，经过LT1的测量变送使上水箱的液位反馈给LC1，LC1控制电动调节阀的开度进而控制入水流量，达到所需要的液位并保持稳定。 四．实验接线 其接线图为：图中LT2改接为LT1 五．实验内容及步骤 1．按图要求，完成系统的接线。 2．接通总电源和相关仪表的电源。 3．打开阀F1-1、F1-2、F1-6和F1-9，且把F1-9控制在适当的开度。 4．设置好系统的给定值后，用手动操作调节器的输出，使电动调节阀给上水箱打水，待其液位达到给定量所要求的值，且基本稳定不变时，把调节器切换为自动，使系统投入自动运行状态。 5．启动计算机，运行MCGS组态软件软件，并进行下列实验： 设定其智能调节仪的参考参数为：SV=8cm；P=20；I=40；D=0；CF=0；ADDR=1；Sn=33；diH=50;dil=0;上水箱出水阀开度：45%。运行MCGS组态软件软件，并进行实验当实验数据稳定的同时记录的实验曲线如下图：
单回路控制系统整定 一、实验目的 （1） 掌握动态建模的创建方法。 （2） 掌握单回路控制系统的理论整定方法和工程整定方法。 （3） 了解调节器参数对控制品质的影响。 （4） .熟悉控制线性系统仿真常用基本模块的用法 二、实验仪器 计算机一台、MATLAB 软件 三、实验内容： 用SIMULINK 建立被控对象的传递函数为() 4 1 ()101G x s = +，系统输 入为单位阶跃，采用PID 控制器进行闭环调节。 ①练习模块、连线的操作，并将仿真时间定为300 秒，其余用缺省值； ②试用稳定边界法和衰减曲线法设置出合适的PID 参数，得出满意的响应曲线。 ③设计M 文件在一个窗口中绘制出系统输入和输出的曲线，并加图解。 四、实验原理 . PID （比例-积分-微分）控制器是目前在实际工程中应用最为广泛的一种控制策略。PID 算法简单实用，不要求受控对象的精确数学模
型。 ．模拟PID 控制器 典型的PID 控制结构如图所示。 . PID 控制规律写成传递函数的形式为 s K s Ki K s T s T K s U s E s G d p d i p ++=++== )11()()()( 式中，P K 为比例系数；i K 为积分系数；d K 为微分系数；i p i K K T =为积 分时间常数；p d d K K T =为微分时间常数；简单来说，PID 控制各校正环节的作用如下： （1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生， 控制器立即产生控制作用，以减少偏差。 （2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用 的强弱取决于积分时间常数i T ，i T 越大，积分作用越弱，反之则越强。 （3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差 信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 五、实验步骤
Honeywell DCS 控制回路PID参数整定方法 鉴于目前一联合装置仪表回路自控率比较低，大部分的回路都是手动操作，这样不但增加了操作员的工作量，而且对产品质量也有一定的影响，特编制了此PID参数整定方法。 一、修改PID参数必须有“SUPPERVISOR”及以上权限权限，用键盘钥匙可以切换权限，钥匙已送交一联合主任陈胜手中； 二、打开要修改的控制回路细目画面，翻到下图所示的页面，修改PID控制回路整定的三个参数K，T1，T2； 三、PID参数代表的含义 K：比例增益（放大倍数），范围为0.0～240.0； T1：积分时间，范围为0.0～1440.0，单位为分钟，0.0代表没有积分作用； T2：微分时间，范围为0.0～1440.0，单位为分钟，0.0代表没有微分作用。 四、PID参数的作用 （1）比例调节的特点：1、调节作用快，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大K倍输出； 2、系统存在余差。 K越小，过渡过程越平稳，但余差越大；K增大，余差将减小，但是不能完
全消除余差，只能起到粗调作用，但是K过大，过渡过程易振荡，K太大时，就可能出现发散振荡。 （2）积分调节的特点：积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比，积分作用能消除余差，但降低了系统的稳定性，T1由大变小时，积分作用由弱到强，消除余差的能力由弱到强，只有消除偏差，输出才停止变化。 （3）微分调节的特点：微分调节的输出是与被调量的变化率成正比，在引入微分作用后能全面提高控制质量，但是微分作用太强，会引起控制阀时而全开时而全关，因此不能把T2取的太大，当T2由小到大变化时，微分作用由弱到强，对容量滞后有明显的作用，但是对纯滞后没有效果。 五、如果要知道控制回路的作用方式，可以进入控制回路的细目画面，进入下图所示页面： 其中“CTLACTN”代表控制器作用方式，“REVERSE”表示反作用，“DIRECT”代表正作用。 六、控制器的选择方法 （1）P控制器的选择：它适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统； （2）PI控制器的选择：它适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统；
单回路控制系统参数整定精编W O R D版 IBM system office room 【A0816H-A0912AAAHH-GX8Q8-GNTHHJ8】
课程设计报告 ( 2015-- 2016年度第2学期)名称：过程控制系统 题目：单回路控制系统参数整定 院系： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数：第十七周 成绩： 日期：2016年6月23日
《过程控制系统》课程设计 任务书 一、目的与要求 1．掌握单回路控制系统整定方法； 2．掌握PID参数对控制品质影响规律； 3．运用相应软件开发单回路控制系统整定程序。 二、主要内容 1．学习基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法； 2．开发单回路控制系统PID参数整定程序； 3．寻找不同PID参数对控制品质影响规律。 三、进度计划 四、设计成果要求 1．阐明基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法的基本原理；
2．完整的、可运行的单回路控制系统PID参数整定程序； 3．验证整定的PID参数下的控制效果，给出控制曲线图，同时给出其它PID参数下的控制曲线图，总结不同PID参数对控制品质影响规律。 五、考核方式 1．设计报告； 2．设计答辩。 二、设计（实验）正文 1.学习基于被控对象模型的单回路控制系统参数整定方法； 1）经验法 内容： 经验法实际是一种试凑法，是在生产实践中总结出来的参数整定法，该法在现场中得到了广泛的应用。利用经验法对系统的参数进行整定时，首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；若调节过程不满足要求，则修改调节器参数，再作阶跃扰动试验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。 实验步骤： (1) 首先将调节器的积分时间Ti置最大，微分时间Td置最小，根据经验设置比例带δ的数值，完成后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率则可，否则改变比例带δ的值，重复上述试验，直到满意为止； (2) 将调节器的积分时间Ti由最大调整到某一值，由于积分作用的引入导致系统的稳定性下降，因而应将比例带适当增大，一般为纯比例作用的1.2
单回路控制系统原理 一、过程控制的特点 与其它自动控制系统相比, 过程控制的主要特点是: 1、系统由工业上系列生产的过程检测控制仪表组成。一个简单的过程控制系统是由控制对象和过程检测控制仪表( 包括测量元件, 变送器、调节器和调节阀) 两部分组成。 如图1: 液位控制系统 Q2 K C: 调节器的静态放大系数 K V: 调节阀的静态放大系数 K0: 被控对象的静态放大系数
K m: 变送器的静态放大系数 2、被控对象的设备是已知的, 对象的型式很多, 它们的动态特性是未知的或者是不十分清楚的, 但一般具有惯性大, 滞后大, 而且多数具有非线性特性。 3、控制方案的多样性。有单变量控制系统、多变量控制系统; 有线性系统、有非线性系统、; 有模拟量控制系统、有数字量控制系统, 等等。这是其它自动控制系统所不能比拟的。 4、控制过程属慢过程, 多半属参量控制。即需对表征生产过程的温度、流量、压力、液位、成分、PH等进行控制。 5、在过程控制系统中, 其给定值是恒定的( 定值控制) , 或是已知时间的函数( 程序控制) 。控制的主要目的是在于如何减少或消除外界扰动对被控量的影响。 工业生产要实现生产过程自动化, 首先必须熟悉生产过程, 掌握对象特点; 同时要熟悉过程参数的主要测量方法, 了解仪表性能、特点, 根据生产工艺要求和反馈控制理论的分析方法, 合理正确地构建过程控制系统; 而且经过改变调节仪表的PID特性参数, 使系统运行在最佳状态。 过程控制系统的品质是由组成系统的对象和过程检测仪表各环节的特性和系统的结构所决定的。 二、单回路控制系统原理 如图1所示单回路控制系统由对象、测量变送器、调节器、调节阀等环节组成。由于系统结构简单, 投资少, 易于调整、投运, 又
Ziegler-Nichols参数整定控制器步骤与方法： 对于控制系统的一个开环传递函数： 试采用Z-N整定公式计算系统的P、PI、PID控制器的参数，绘制整定后的系统单位阶跃响应。 建立如下图所示的Simulink模型。 开环 最小二乘法的曲线拟合：（只对前30秒求出直线方程） 选定相应的时间序列找到相应的值记录需要拟合的点 时间序列：xout'0 Columns 1 through 9 0 0.6000 1.2000 1.8000 2.4000 3.0000 3.6000 4.2000 4.8000 Columns 10 through 18 5.4000 6.0000 6.6000 7.2000 7.8000 8.4000 9.0000 9.6000 10.2000 Columns 19 through 26 10.8000 11.4000 12.0000 12.6000 13.2000 13.8000 14.4000 15.0000 输出序列：yout' Columns 1 through 9 0 0 0 0 0 0.4200 1.4416 2.6924 3.9721 Columns 10 through 18 5.1850 6.2904 7.2759 8.1434 8.9010 9.5594 10.1300 10.6236 11.0501 Columns 19 through 26 11.4182 11.7359 12.0100 12.2465 12.4504 12.6262 12.7778 12.9086 线性拟合： cftool工具箱得出一个合适的直线，画出S曲线得到： 最后编写m文件，得到L=2.2，T=9.8-2.2=7，K=13.727 % %分别用单纯的比例控制、比例积分、比例积分微分控制 L=2.2;T=7;K=13.727 KP=T/(K*L)%纯比例控制 %simulink_P仿真开始 yP=y.data; save yP %PI控制 KPi=0.9*KP%积分的比例系数 TI=L/0.3;Ki=1/TI
1.1.1单回路控制系统设计 第一节过程控制系统设计概述 ?单回路反馈控制系统---又称简单控制系统，是指由一个被控过程、一个 检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的．对一个被控变量进行控 制的单回路反馈闭环控制系统。 ?单回路反馈控制系统组成方框图： ?简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。 ?过程控制系统设计和应用的两个重要内容：控制方案的设计、调节器整定参数值的确定。 ?过程控制系统设计的一般要求： ●过程控制系统是稳定的，且具有适当的稳定裕度。 ●系统应是一个衰减振荡过程，但过渡过程时间要短，余差要小。 ?过程控制系统设计的基本方法： 设计方法很多，主要有对数频率特性设计法、根轨迹设计法、系统参数优化的计算机辅助设计等。 ?过程控制系统统设计步骤： ●建立被控过程的数学模型 ●选择控制方案 ●建立系统方框图 ●进行系统静态、动态特性分析计算 ●实验和仿真 ?过程控制系统设计的主要内容： ●控制方案的设计：核心，包括合理选择被控参数和控制参数、信息的获取 和变送、调节阀的选择、调节器控制规律及正、反作用方式的确定等。 ●工程设计：包括仪表选型、控制室和仪表盘设计、仪表供电供气系统设计、 信号及联锁保护系统设计等。 ●工程安装和仪表调校 ●调节器参数工程整定：保证系统运行在最佳状态。
第二节单回路控制系统方案设计 1.被控参数的选择 ?选取被控参数的一般原则为： ●选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和环境保护具有决定性作 用的，可直接测量的工艺参数为被控参数。 ●当不能用直接参数作为被控参数时，应该选择一个与直接参数有单值函数 关系的间接参数作为被控参数。 ●被控参数必须具有足够大的灵敏度。 ●被控参数的选择必须考虑工艺过程的合理性和所用仪表的性能。 2.控制参数的选择 ?需要正确选择控制参数、调节器调节规律和调节阀的特性。 ?当工艺上允许有几种控制参数可供选择时，可根据被控过程扰动通道和控制通道特性，对控制质量的影响作出合理的选择。所队正确选择控制参数就是正确选择控制通道的问题。 ?扰动作用-----由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏 离给定性 ?控制作用-----由控制通道对过程的被控参数起主导影响，抵消扰动影响， 以使被控参数尽力维持在给定值。 ?在生产过程有几个控制参数可供选择时，一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强，动态响应要比扰动通道快。 ?可由过程静态特性的分析（扰动通道静态放大倍数K f、控制通道静态放大倍数K o）、过程扰动通道动态特性的分析（时间常数T f、时延τf、扰动作用点位置）、过程控制通道动态特性的分析（时间常数T o、时延τ（包括纯时延τ0、容量时延τc）、时间常数匹配）确定各参数选择原则。 ?根据过程特性选择控制参数的一般原则： ●控制通道参数选择：选择过程控制通道的放大系数K o要适当大一些，时间 常数T o要适当小一些。纯时延τ0愈小愈好，在有纯时延τ0的情况下，τ0 与T o之比应小—些（小于1），若其比值过大，则不利于控制。 ●扰动通道参数选择：选择过程扰动通道的放大系数K f应尽可能小。时间常 数T f要大。扰动引入系统的位置要远离控制过程（即靠近调节阀）。容量 时延τc愈大则有利于控制。 ●时间常数匹配：广义过程(包括调节阀和测量变送器)由几个一阶环节组成， 在选择控制参数时，应尽量设法把几个时间常数错开，使其中一个时间常 数比其他时间常数大得多，同时注意减小第二、第三个时间常数。 ●注意工艺操作的合理性、经济性。 3.系统设计中的测量变送问题 ?被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。 ?测量和变送环节的描述：
实验三 PID 控制器设计及其参数整定 一、实验目的 1) 通过本实验，掌握使用Simulink 仿真设计连续和离散PID 控制器的方法。 2) 掌握对给定控制系统进行PID 控制器参数在线实验工程整定的方法。 二、实验原理 PID 控制是最经典、应用最广泛的控制方法，是单回路控制系统主要的控制方法，是其他控制思想的基础。本实验针对被控对象，选定控制器的调节规律，在控制器的调节规律已经确定的情况下，控制系统的品质主要决定于控制器参数的整定。 1. 连续PID 控制器 本实验采用的PID 控制器传递函数为： 111()(1)(1)C p d d i i G s K T S T S T S T S δ=+ +=++ 或写成： ()i C p d K G s K K S S =+ + 有 ,p i d p d i K K K K T T = = 其中K p 、K i 、K d 分别为比例系数、积分系数和微分系数；T i 、T d 分别为积分时间常数和微分时间常数；δ为比例度。 控制系统的Simulink 仿真图如图1所示。连续PID 控制器如图2所示。 根据不同的参数设置，可以得到单纯的比例控制、比例积分控制、比例微分控制以及比例积分微分控制等不同的控制系统。 控制器参数的工程整定实验法，是通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，按照动态特性参数法、衰减曲线法、临界比例度法、或经验法中的某一种方法，求得控制器的各个参数，进行工程整定，使系统的性能达到最佳。
图1 控制系统Simulink 仿真图 图2 连续PID 控制器Simulink 仿真图 2. 离散PID 控制器 将描述模拟PID 控制器的微分方程式化为差分方程，即为数字PID 控制算法。 1 ()(1) ()()()k p i d i e k e k u k K e k K T e i K T =--=++∑ 因为上式包含的数字积分项，需要存储过去全部偏差量，而且累加运算编程不太方便，计算量也较大，所以在应用中，通常都是将上式改为增量算法。 ()()(1) ()2(1)(2)[()(1)]()p I D u k u k u k e k e k e k K e k e k K Te k K T ?=----+-=--++ 即 ()(1)()u k u k u k =-+?
PID控制器参数整定的一般方法： PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改； 二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整P、I、D的大小。书上的常用口诀： 参数整定找最佳，从小到大顺序查； 先是比例后积分，最后再把微分加； 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大； 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳； 曲线偏离回复慢，积分时间往下降； 曲线波动周期长，积分时间再加长； 曲线振荡频率快，先把微分降下来； 动差大来波动慢。微分时间应加长； 理想曲线两个波，前高后低4比1； 一看二调多分析，调节质量不会低。 个人认为PID参数的设置的大小，一方面是要根据控制对象的具体情况而定；另一方面是经验。P是解决幅值震荡，P大了会出现幅值震荡的幅度大，但震荡频率小，系统达到稳定时间长；I是解决动作响应的速度快慢的，I大了响应速度慢，反之则快；D是消除静态误差的，一般D设置都比较小，而且对系统影响比较小。 PID控制原理： 1、比例（P）控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 2、积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3、微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控
简单控制系统的参数整定:（摘自化学工业出版社《过程控制技术》）表7-1 控制规律选择参考表： 表7-2 控制器参数的大致范围： 当控制系统已经构成“负反馈”，并且控制器的控制规律也已经正确选定，那么控制系统的品质主要决定于控制器参数的整定值。即如何确定最合适的比例度δ、积分时间Ti和微分时间Td。控制器参数的整定方法很多，现介绍几种工程上常用的方法。 1．经验试凑法 这是一种在实践中很常用的方法。具体做法是：在闭环控制系统中，根据被控对象情况，先将控制器参数设在一个常见的范围内，如表7-2所示。然后施加一定的干扰， 以δ、Ti、Td对过程的影响为指导，对δ、Ti、Td逐个整定，直到满意为止，凑试的 顺序有两种。 （1）先凑试比例度，直到取得两个完整的波形的过渡过程为止。然后，把δ稍放大10％到20％，再把积分时间Ti由大到小不断凑试，直到取得满意波形为止。最后再加微分， 进一步提高质量。 在整定中，若观察到曲线振荡频繁，应当加大比例度（目的是减小比例作用）以减小振荡；曲线最大偏差大且趋于非周期时，说明比例控制作用小了，应当加强，即应减 小比例度；当曲线偏离设定值，长时间不回复，应减小积分时间；如果曲线总是波动， 说明振荡严重，应当加长积分时间以减弱积分作用；如果曲线振荡的频率快，很可能是 微分作用强了，应当减小微分时间；如果曲线波动大而且衰减慢，说明微分作用小了， 未能抑制住波动，应加长微分时间。总之，一面看曲线，一面分析和调整，直到满意为 止。
（2）是从表7-2中取Ti的某个值。如果需要微分，则取Td=（1/3～1/4）Ti。然后对δ进行凑试，也能较快达到要求。实践证明，在一定范围内适当组合δ与Ti的数值，可以获得相同的衰减比曲线。也就是说，δ的减小可用增加Ti的办法来补偿，而基本上不影响控制过程的质量。所以，先确定Ti、Td再确定δ也是可以的。 2．衰减曲线法 衰减曲线法比较简单，可分两种方法。 （1）4：1衰减曲线法 当系统稳定时，在纯比例作用下，用改变设定值的办法加入阶跃扰动，观察记录曲线的衰减比。然后逐次从大到小地改变比例度，直到出现4：1的衰减比为止。如图7-3所示。 记下此时的比例度δs（称4：1衰减比例度）和衰减周期Ts，再按表7-3的经验数据来确定PID值。 有的过渡过程，4：1衰减仍嫌振荡过强，可采用10：1衰减曲线法。如图7-4所示，方法同上。得到10：1衰减曲线，记下此时的比例度δs′上升时间Ts′，再按表7-4的经验公式来确定PID值。 阶跃干扰加得幅度过小则过程的衰减比不易判断，过大又为工艺条件所限制。所以一般在设定值的5%左右。扰动必需在工艺稳定时再加，否则得不到正确的δs、Ts或δs′、Ts′值。
一、单回路控制系统 1. 画出图示系统的方框图： 2. 一个简单控制系统总的开环增益（放大系数）应是正值还是负值？仪表行业定义的控制器增益与控制系统中定义的控制器的增益在符号上有什么关系？为什么？ 3. 试确定习题1中控制器的正反作用。若加热变成冷却，且控制阀由气开变为气关，控制器的正反作用是否需要 4. 什么是对象的控制通道和扰动通道？若它们可用一阶加时滞环节来近似，试述K P 、K f 、τp 、τf 对控制系统质量的影响。 5. 已知广义对象的传递函数为1) S (T e K P S τP P +-，若P P T τ的比值一定时，T P 大小对控制质量有什么影响？为什么？ 6. 一个简单控制系统的变送器量程变化后，对控制质量有什么影响？举例说明。 7. 试述控制阀流量特性的选择原则，并举例加以说明。 8. 对图示控制系统采用线性控制阀。当负荷G 增加后，系统的响应趋于 非周期函数，而G 减少时，系统响应震 9. 一个简单控制系统中，控制阀口 径变化后，对系统质量有何影响？ 10. 已知蒸汽加热器如图所示，该系 统热量平衡式为：G 1C 1(θ0-θi )=G 2λ(λ 为蒸汽的冷凝潜热)。 （1）主要扰动为θi 时，选择控制阀的流量特性。 （2）主要扰动为G 1时，量特性。 （3特性。 11.
作用后，对系统质量有什么影响？为了保持同样的衰减比，比例度δ要增加，为什么？ 12. 试写出正微分和反微分单元的传递函数和微分方程；画出它们的阶跃响应，并简述它们的应用场合。 13. 什么叫积分饱和？产生积分饱和的条件是什么？ 14. 采用响应曲线法整定控制器参数，选用单比例控制时，δ=K P τP /T P ×100%,即δ∝K P ，δ∝τP /T P ,为什么？而选择比例积分控制时，δ=1.44K P τP /T P ×100%，即比例度增加，为什么？ 15. 采用临界比例度法整定控制器参数，在单比例控制时，δ=2δK (临界比例度)，为什么？ 16. 在一个简单控制系统中，若对象的传递函数为 ) 1T )(1S 1)(T S (T K W P V P +-+S ，进行控制器参数整定时，应注意什么？ 17. 已知广义对象的传递函数为1) S (T e K P S τP P +-，采用比例控制，当系统达到稳定边缘时，K C =K CK ，临界周期为T K 。问： (1)T K /τP 在什么数值范围内(即上、下界)，τP /T P 增加时，这一比值是上升还是下降？ (2)K CK 在什么数值范围内(即上、下界)，τP /T P 增加时，K CK 是上升还是下降？ 18. 一个过程控制系统的对象有较大的容量滞后，而另一系统由于测量点位置造成纯滞后。若对两个系统均采用微分控制，试问效果如何？ 19. 某一温度控制系统，采用4:1衰减曲线法进行整定，测得系统的衰减比例度 δs=25%，衰减振荡周期Ts=10min ，当控制器采用P 和PI 控制作用时，试求其整定参数值。 20. 有一个过程控制系统(采用DDZ-Ⅲ型仪表)，当广义对象的输入电流（即控制器的输出电流）为14mA 时，其被控温度的测量值为70℃。当输入电流突然从14mA 增至15mA ，并待被控温度达到稳定时，其测量值为74℃。设测温仪表的量程为50-100℃。同时由实验测得广义对象的时间常数T P =3min ，滞后时间τP =1.2min ，试求衰减比为4:1时PI 控制器的整定参数值。 21. 某一个过程控制系统，利用临界比例度法进行控制器的参数整定。当比例度为12%时，系统出现等幅振荡，其临界振荡周期为180s ，试求采用PID 控制器时的整定参数值。 22. 已知控制系统方块图如下： 求：(1)X 作单位跃阶变化时，随动控制系统的余差。
习题8 控制器参数设定 1 简单控制系统各环节的参数如何确定？ 2 串级控制系统各环节的参数如何确定？ 3 某控制系统中的Pi 控制器采用经验凑试法整定控制器参数，如果发现在扰动情况下 的被控变量记录曲线最大偏差过大，变化很慢且长时间偏离给定值，试问在这种情况下应怎 怎改变比例度与积分时间？ 4 某控制器采用DDZ—Ⅲ型控制器，用临界比例法度法整定参数。已测得k δ=30%、 k T =3min 。试确定PI 作用和PID 作用的控制器参数。 习题8解答： 1 当控制系统已经构成“负反馈”，并且控制器的控制规律也已经正确选定，那么控制系 统的品质主要决定于控制器参数的整定值。即如何确定最合适的比例度度δ、积分时间Ti 和 微分时间Td ，控制器参数的整定方法很多，现介绍几种工程上常用的方法。 （1）经验试凑法 这是一种在实践中很常用的方法。具体做法是：在闭环控制系统中，根据被控对象的情 况，先将控制器参数设在一个常见的范围内。然后施加一定的扰动，以δ、Ti 、Td 对过程的影响为指导，对δ 、Ti 、Td 逐个整定，直到满意为止。试凑的顺序有两种。 1) 先试凑比例度，直到取得两个完整的波形的过渡过程为止，然后，把δ稍放大10%到20%，再把Ti 由大到小凑试，直到取得满意的波形，最后再加微分，进一步提高质量。 2）从下表中取Ti 的某个值，如果需要微分，则取Td=（1/3---1/4）Ti ，然后再对δ进行试凑。实践证明，这些经验数据基本上也能达到满意的效果。 （2）衰减曲线法 衰减曲线法比较简单，也分为两种。 1） 4：1衰减曲线法 2）10：1衰减曲线法 这两种方法都是在系统稳定时在纯比例作用下，用改变设定值的办法加入阶跃扰动，观察曲线的衰减比，然后由大到小改变比例度，直到出现4：1或10：1衰减比为止，记下此时的δ和振荡周期T ，再按经验数据确定PID 的值。 3 临界比例法 当整个闭环系统稳定后，把Ti 放到最大，Td 设为零使系统在纯比例下作用。然后从小
1 前言 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控控制系统包括控制器﹑传感器﹑变送器﹑执行机构﹑输入输出接口。控制器的输出经过输出接口﹑执行机构，加到被控系统上;控制系统的被控量,经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统﹐其传感器﹑变送器﹑执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前,PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多,产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PＩＤ控制器产品,各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (ｉnteｌｌigｅｎt ｒｅguｌator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器,能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PIＤ控制的ＰC系统等等。可编程控制器(PＬC)是利用其闭环控制模块来实现PIＤ控制，而可编程控制器（ＰLC)可以直接与ＣontroｌNｅｔ相连。还有可以实现ＰIＤ控制功能的控制器，如Rｏckweｌl 的Lｏｇｉｘ产品系列,可以直接与Con ｔroｌＮｅt相连，利用网络实现其远程控制功能。 控制系统的性能指标通常包括稳态和动态两个方面。稳态性能指标是指系统的稳态误差,它表征系统的控制精度。动态性能指标表片系统瞬态响应的品质。为使系统能同时满足动态和稳态性能指标的要求，就需要在系统中引入一个专门用于改善性能的附加装置，这个附加装置就是校正装置。当控制系的开环增益增大到满足其稳定性态性能所要求的数值时，系统有可能为不稳定,或者即使能稳定性定,其动态性能一般也不会满足设计要求,为此需要在系统的前向通首中加一个超前校正装置,以实现在开环增益不变的前提下,使系统的动态性能也能满足设计的要求。当系统的动态性能满足要求，而其稳定性态性能不好时，就要求所加的校正装置要使系统的开环增益有较大的增大，使系统的动态性能不发生明显的变化,因此要加入滞后校正装置。若要将两种校正结合起来应用,必然会同时改善系统的动态和稳态性能，这就是滞后——超前校正。而PID控制器能够满足这两方面的要求，但根据系统性能指标的要求,正确地调整PＩD的三个参数是非常重要的。本次设计就主要围绕调节PＩD的参数进行。