过程控制与自动化仪表PID控制仿真实验

《自动控制原理》自动控制PID实验报告课程名称自动控制原理实验类型：实验项目名称：自动控制PID一、实验目的和要求1、学习并掌握利用MATLAB 编程平台进行控制系统复数域和频率域仿真的方法。

2、通过仿真实验研究并总结PID 控制规律及参数对系统特性影响的规律。

3、实验研究并总结PID 控制规律及参数对系统根轨迹、频率特性影响的规律，并总结系统特定性能指标下根据根轨迹图、频率响应图选择PID 控制规律和参数的规则。

二、实验内容和原理一）任务设计如图所示系统，进行实验及仿真程序，研究在控制器分别采用比例（P）、比例积分（PI）、比例微分（PD）及比例积分微分（PID）控制规律和控制器参数（Kp、Ki、Kd）不同取值时，控制系统根轨迹和阶跃响应的变化，总结pid 控制规律及参数变化对系统性能、系统根轨迹、系统阶跃响应影响的规律。

具体实验容如下：1、比例（P）控制，设计参数Kp 使得系统处于过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三种状态，并在根轨迹图上选择三种阻尼情况的Kp 值，同时绘制对应的阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 的变化情况。

总结比例（P）控制的规律。

2、比例积分（PI）控制，设计参数Kp、Ki 使得由控制器引入的开环零点分别处于：1）被控对象两个极点的左侧；2）被控对象两个极点之间；3）被控对象两个极点的右侧（不进入右半平面）。

分别绘制三种情况下的根轨迹图，在根轨迹图上确定主导极点及控制器的相应参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 和Ki 的变化情况。

总结比例积分（PI）控制的规律。

3、比例微分（PD）控制，设计参数Kp、Kd 使得由控制器引入的开环零点分别处于：1）被控对象两个极点的左侧；2）被控对象两个极点之间；66 3）被控对象两个极点的右侧（不进入右半平面）。

分别绘制三种情况下的根轨迹图，在根轨迹图上确定控制器的相应参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 和Kd 的变化情况。

PID仿真实验报告PID控制是一种经典的控制方法，被广泛应用于工业自动化控制系统中。

本次实验主要针对PID控制器的参数调整方法进行仿真研究。

实验目的：1.研究PID控制器的工作原理；2.了解PID参数调整的方法；3.通过仿真实验比较不同PID参数对系统控制性能的影响。

实验原理：PID控制器由比例（P）、积分（I）、微分（D）三个控制部分组成。

比例控制：输出与误差成比例，用来修正系统集成误差；积分控制：输出与误差的积分关系成比例，用来修正系统持续存在的静态误差；微分控制：输出与误差变化率成比例，用来修正系统的瞬态过程。

PID参数调整方法有很多种，常见的有经验法、Ziegler-Nichols法和优化算法等。

实验中我们使用经验法进行调整，根据系统特性来进行手动参数调整。

实验装置与步骤：实验装置：MATLAB/Simulink软件、PID控制器模型、被控对象模型。

实验步骤：1. 在Simulink中建立PID控制器模型和被控对象模型；2.设定PID控制器的初始参数；3.运行仿真模型，并记录系统的响应曲线；4.根据系统响应曲线，手动调整PID参数；5.重复第3步和第4步，直到系统的响应满足要求。

实验结果与分析：从图中可以看出，系统的响应曲线中存在较大的超调量和震荡，说明初始的PID参数对系统控制性能影响较大。

从图中可以看出，系统的响应曲线较为平稳，没有出现明显的超调和震荡。

说明手动调整后的PID参数能够使系统达到较好的控制效果。

总结与结论：通过本次实验，我们对PID控制器的参数调整方法进行了研究。

通过手动调整PID参数，我们能够改善系统的控制性能，提高系统的响应速度和稳定性。

这为工业自动化控制系统的设计和优化提供了参考。

需要注意的是，PID参数的调整是一个复杂的工作，需要结合具体的控制对象和要求进行综合考虑。

而且，不同的参数调整方法可能适用于不同的控制对象和场景。

因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的参数调整方法，并进行实验验证。

计算机控制技术实验指导书（MATLAB版）机电学院杨蜀秦编2012-11-19实验一 连续系统的模拟PID 仿真一、基本的PID 控制 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID 控制。

模拟PID 控制系统原理框图如图1-1所示。

图1-1 模拟PID 控制系统原理框图PID 控制规律为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=⎰dt t de T dt t e T t e k t u DtI p )()(1)()(0或写成传递函数的形式⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++==s T s T k s E s U s G D I p 11)()()( Ex1 以二阶线性传递函数ss 251332+为被控对象，进行模拟PID 控制。

输入信号)2.0*2sin()(t t r π=，仿真时取3,1,60===d i p k k k ，采用ODE45迭代方法，仿真时间10s 。

仿真方法一：在Simulink 下进行仿真，PID 控制由Simulink Extras 节点中的PID Controller 提供。

仿真程序：ex1_1.mdl ，如图1-2所示。

图1-2 连续系统PID 的Simulink 仿真程序连续系统的模拟PID 控制正弦响应结果如图1-3所示。

图1-3 连续系统的模拟PID 控制正弦响应仿真方法二：在仿真一的基础上，将仿真结果输出到工作空间中，并利用m 文件作图。

仿真程序：ex1_2.mdl ，程序中同时采用了传递函数的另一种表达方式，即状态方程的形式，其中[]0,01,1330,25010==⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=D C B A ，如图1-4所示。

m 文件作图程序：ex1_2plot.mclose all ;plot(t,rin,'k',t,yout,'k'); xlabel('time(s)'); ylabel('r,y');二、线性时变系统的PID 控制 Ex2 设被控对象为Jss Ks G +=2)(，其中)2sin(300400),6sin(1020t K t J ππ+=+=，输入信号为)2sin(5.0t π。

《过程控制与自动化仪表》仿真实验实验一：自衡单容过程的阶跃响应 一、实验目的1. 熟悉MATLAB 软件的操作过程2. 了解自衡单容过程的阶跃响应过程3. 得出自衡单容过程的单位阶跃响应曲线二、实验内容已知两个自衡单容过程的模型分别为2()21G s s =+和52()21sG s e s -=+，试在Simulink 中建立模型，并求单位阶跃响应曲线。

三、实验步骤1. 在Simulink 中建立模型，得出实验原理图。

如下图：2. 运行模型后，双击Scope ，得到的单位阶跃响应曲线。

实验二：自衡双容过程的阶跃响应 一、实验目的1. 了解自衡双容过程的阶跃响应过程2. 得出自衡双容过程的单位阶跃响应曲线3. 对比自衡过程和无自衡过程的响应曲线二、实验内容已知两个双容过程的模型分别为1()(21)(1)G s s s =++（双容有自衡能力过程）和1()(21)G s s s =+（双容无自衡能力过程），试在Simulink 中建立模型，并求单位阶跃响应曲线。

三、实验步骤1. 在Simulink 中建立模型，得出实验原理图。

如下图：2. 运行模型后，双击Scope ，得到的单位阶跃响应曲线。

实验三：比例调节及其对系统性能的影响 一、实验目的1. 了解比例调节的作用2. 了解比例调节强弱对系统性能的影响二、实验内容已知控制系统如下图所示，其中01()(1)(21)(51)G s s s s =+++，H(s)为单位反馈，且在第二个和第三个环节（即1(21)s +和1(51)s +）之间有累加的扰动输入（在5秒时幅值为0.2的阶跃扰动）。

对系统采用比例控制，比例系数分别为0.8,2.4,3.5p K =，试利用Simulink 求各比例系数下系统的单位阶跃响应曲线。

三、实验步骤1. 在Simulink 中建立模型如下图：2. 运行模型后，双击Scope，得到的单位阶跃响应曲线。

3.置阶跃输入为0，在5秒时，加入幅值为0.2的阶跃扰动，得到扰动响应曲线。

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四、实验步骤与结果
分析控制器的参数对系统静态误差设被控对象等效传递函数为：G(s)=1
s(s+1)(s+5)
的影响，执行如下程序：
屏幕中得到该系统传递函数的根轨迹图：
当开环增益小于约32.2时，系统处于稳定状态。

由图中可知原系统在临界稳定状态时，取K’=30，P’=2π/w c=2π/2.3≈2.73 利用等幅震荡整定法，可以确定控制器对应的参数
控制器类型等幅震荡整定
P K=0.5K’
PI K=0.45K’,T=0.833P
PID K=0.6K’,T=0.5P’,T’=0.125P’得到没有加PID控制时原系统及添加PID控制器后系统的阶跃响应其中参数
K=0.6*30=18
T=0.5P’=0.5*2.73=1.365
T’=0.125P’=0.125*2.73=0.34125
执行如下图所示程序：
屏幕呈现图像：
五、思考与练习
我们用MATLAB对PID控制器进行一次仿真，进入Simulink，按下图显示将PID Controller，Scope，Step，Sum，TransferFon添加到模型编辑区域并连接：
此时的sum反馈的符号是一个+，也就是说这是一个正反馈，但是我们PID一般都是负反馈，所以需要改一下反馈的符号。

双击sum切换到sum的属性对话框，将List of signs由++改为--，则下面的+会变成减。

执行，打开Scope查看PID输出波形如下图：
我们也可以打开PID控制器，调整参数：
调整之后图像也有所变化：
六、心得体会。

《计算机控制技术》数字PID控制器设计与仿真实验报告课程名称：计算机控制技术实验实验类型：设计型实验项目名称：数字PID控制器设计与仿真一、实验目的和要求1. 学习并掌握数字PID以及积分分离PID控制算法的设计原理及应用。

2. 学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。

二、实验内容和原理图3-1图3-1是一个典型的 PID 闭环控制系统方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如图1-2所示。

图3-2中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在模拟实验平台上的运放单元搭接。

图3-2上图中，ADC1为模拟输入，DAC1为模拟输出，“DIN0”是C8051F管脚 P1.4，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。

这里，系统误差信号E通过模数转换“ADC1”端输入，控制机的定时器作为基准时钟(初始化为10ms)，定时采集“ADC1”端的信号，得到信号E的数字量，并进行PID计算，得到相应的控制量，再把控制量送到控制计算机及其接口单元，由“DAC1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。

本实验中，采用位置式PID算式。

在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，以及系统有惯性和滞后，因此在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。

为此，可采用积分分离法PID控制算法，即：当误差e(k)较大时，取消积分作用；当误差e(k)较小时才将积分作用加入。

图3-3是积分分离法PID控制实验的参考程序流程图。

图3-3三、主要仪器设备计算机、模拟电气实验箱四、操作方法与实验步骤1.按照图3-2搭建实验仿真平台。

2.确定系统的采样周期以及积分分离值。

3.参考给出的流程图编写实验程序，将积分分离值设为最大值0x7F，编译、链接。

4.点击，使系统进入调试模式，点击，使系统开始运行，用示波器分别观测输入端R以及输出端C。

5.如果系统性能不满意，用凑试法修改PID参数，再重复步骤3和4，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。

T13. PID自动控制系统参数整定（化工仪表与自动化，指导教师：卢红梅）实验一：一阶单容上水箱对象特性测试实验实验二：上水箱液位PID整定实验一、实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。

2）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。

3）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

4）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。

5）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。

6）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

二、实验设备THKJ100-1型过程控制实验装置配置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。

型参数为串联釜数N三、实验原理实验一原理：阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过控制器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。

同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。

实验二原理：图13.1单回路上水箱液位控制系统图13.1为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。

本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。

根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。

当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。

合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。

反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。

因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。

一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。

自动控制原理实验报告PID 控制系统的Simulink 仿真1.实验目的1）掌握PID 控制规律及控制器的实现。

控制规律及控制器的实现。

2）对给定系统合理地设计PID 控制器。

控制器。

3）掌握对给定系统进行PID 控制器参数在线实验工程整定的方法。

控制器参数在线实验工程整定的方法。

2.实验原理在串联校正中，比例控制可提高系统开环增益，减少系统稳态误差，提高系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成系统闭环系统不稳定，积分控制可以提高系统的型别，有利于提高系统稳定性能，有利于提高系统稳定性能，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点，但积分控制增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生使信号产生90度的相位滞后，对系统的稳定不利，故不宜采用单一的积分控制器；微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，映输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，产生有效的早期修正信号，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，以增加系统的阻尼程度，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统从而改善系统的稳定性，但微分控制增加了一个（-1/t)的开环极点，使系统的相角裕度提高，因此有助于系统动态性能的改善。

系统动态性能的改善。

在串联校正中，PI 控制器增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s 左半平面的开环零点。

位于原点的开环极点可以提高系统的型别（无差度），减小稳态误差，有利于提高系统稳定性能；负的开环零点可以减小系统的阻尼，缓和PI 极点对系统产生的不利影响。

只要积分时间常数Ti 足够大，PI 控制器对系统的不利影响可大大减小。

PI 控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。

主要用来改善控制系统的稳态性能。

在串联校正中，PID 控制器增加了一个位于原点的开环极点和两个位于s 左半平面的开环零点。

除了具有PI 控制器的优点外，还多了一个负实零点，动态性能比PI 更具有优越性。

控制系统pid参数整定方法的matlab仿真实验报告一、引言PID控制器是广泛应用于工业控制系统中的一种常见控制算法。

PID 控制器通过对系统的误差、误差积分和误差变化率进行调节，实现对系统的稳定性和动态性能的控制。

而PID参数的整定是保证系统控制性能良好的关键。

本实验旨在利用Matlab仿真，研究控制系统PID参数整定的方法，探讨不同整定策略对系统稳定性和动态性能的影响，为工程实际应用提供理论依据。

二、控制系统模型本实验采用了以二阶惯性环节为例的控制系统模型，其传递函数为：G(s) = K / (s^2 + 2ξω_ns + ω_n^2)其中，K为系统增益，ξ为阻尼比，ω_n为自然频率。

三、PID参数整定方法实验中我们探讨了几种典型的PID参数整定方法，包括经验法、Ziegler-Nichols方法和遗传算法。

1. 经验法经验法是一种简单粗糙的PID参数整定方法，根据实际系统的性质进行经验性调试。

常见的经验法包括手动调整法和试探法。

在手动调整法中，我们通过调整PID参数的大小，观察系统的响应曲线，从而找到满足系统性能要求的参数。

这种方法需要操作者有一定的经验和直觉，且对系统有一定的了解。

试探法是通过试验和试验的结果来确定PID参数的值。

在试探过程中，我们可以逐渐逼近最佳参数，直到满足系统性能要求。

2. Ziegler-Nichols方法Ziegler-Nichols方法是一种广泛应用的PID参数整定方法。

该方法通过系统的临界增益和临界周期来确定PID参数。

首先，在开环状态下，逐渐增加系统增益，当系统开始出现振荡时，记录下此时的增益值和周期。

然后根据临界增益和临界周期的数值关系，计算出PID参数。

3. 遗传算法遗传算法是一种基于生物进化原理的优化算法，可以用于自动化调整PID参数。

该方法通过对参数的种群进行进化迭代，逐渐找到最优的PID参数。

四、实验结果与分析我们利用Matlab进行了控制系统的PID参数整定仿真实验，并得到了不同整定方法下的系统响应曲线。