2022年基于临界比例度法PID控制器参数整定.docx

精品学习资源课程设计题目： 基于临界比例度法的PID 掌握器参数整定学院运算机科学与信息工程专业年级 13 自动化 2 班同学姓名 胡秋松 学号 20211332指导老师 吴诗贤职称 讲师日期 2021-11-30欢迎下载精品学习资源目录摘要2一、设计任务31、设计对象具体要求32、课程设计内容及要求3二、 PID 掌握原理及 PID 参数整定概述41、PID 掌握原理42、 PID 参数整定概述5三、基于临界比例度法的PID 掌握器参数整定算法71、临界比例度法的定义.72、临界比例度法整定PID 参数步骤 .8四、利用 Simulink建立仿真模型 .91、确定临界比例度和临界振荡周期.92、系统仿真模型的建立.103、 Simulink系统仿真框图 .123.1P控制123.2 PI掌握 .123.3 PID掌握 .13五、总结 .14参考文献 .14欢迎下载精品学习资源摘要在工程实际中，应用最为广泛的调剂器掌握规律为比例、积分、微分掌握， 简称PID掌握，又称 PID调剂；PID 掌握器的参数整定是 PID 掌握系统设计的核心内容；参数整定的方法很多, 如Ziegler - Nichols整定法、临界比例度法、衰减曲线法等；本次仿真设计采纳临界比例度法；关键词： PID 自动掌握 MATLAB/Simulink 仿真欢迎下载精品学习资源一、设计任务1、设计对象具体要求已知如下列图系统其中，GcS分 别为 P、PI、PID 掌握器；请采纳临界比例度法运算 P、PI 、PID 掌握器参数，并绘制整定后系统的单位阶跃响应曲线；2、课程设计内容及要求2.1 PID 掌握原理及 PID 参数整定概述；2.2 基于临界比例度法的 PID 掌握器参数整定算法（要求较具体）；2.3 利用 Simulink 建立仿真模型（须有较为具体的建模过程说明）；2.4 具体描述参数整定过程；2.5 调试分析过程及结果描述；列出主要问题的出错现象、出错缘由、解决方法及成效等；2.6 总结；包括课程设计过程中的学习体会与收成等内容；欢迎下载精品学习资源二、 PID 掌握原理及 PID 参数整定概述1、PID 掌握原理在工程实际中，应用最为广泛的调剂器掌握规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 掌握，又称 PID 调剂； PID 掌握器问世至今已有近70 年历史，它以其结构简洁、稳固性好、工作牢靠、调整便利而成为工业掌握的主要技术之一；当被控对象的结构和参数不能完全把握，或得不到精确的数学模型时，控 制理论的其它技术难以采纳时，系统掌握器的结构和参数必需依靠体会和现场 调试来确定，这时应用PID 掌握技术最为便利；即当我们不完全明白一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术； PID 掌握，实际中也有 PI 和 PD 掌握； PID 掌握器就是依据系统的误差，利用比例、积分、微分运算出掌握量进行掌握的；（1） 比例（ P）掌握比例掌握是一种最简洁的掌握方式；其掌握器的输出与输入误差信号成比例关系；当仅有比例掌握时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）；（2） 积分（ I ）掌握在积分掌握中，掌握器的输出与输入误差信号的积分成正比关系；对一个自动掌握系统，假如在进入稳态后存在稳态误差，就称这个掌握系统是有稳态误差的或简称有差系统（ System with Steady-state Error）；为了排除稳态误差，在掌握器中必需引入“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，它推动掌握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 ）掌握器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差；（3） 微分（ D）掌握在微分掌握中，掌握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；自动掌握系统在克服误差的调剂过程中可能会显现振荡甚至失稳；其缘由是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay ）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化；解决的方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当是零；这就是说，在掌握器中仅引入“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”，它能猜测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的掌握器，就能够提前使抑制误差的掌握作用等于零，甚至为负值，从而防止了被控量的严峻超调；所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例 +微分（ PD）掌握器能改善系统在调剂过程中的动态特性；欢迎下载精品学习资源2、PID 参数整定概述（1） 采样周期的确定：香农（ Shannon） 采样定律 ：为不失真地复现信号的变化，采样频率至少应大于或等于连续信号最高频率重量的二倍；依据采样定律可以确定采样周期的上限值；实际采样周期的挑选仍要受到多方面因素的影响，不同的系统采样周期应依据具体情形来挑选；采样周期的挑选，通常依据过程特性与干扰大小适当来选取采样周期：即 对于响应快、（如流量、压力）波动大、易受干扰的过程，应选取较短的采样周期；反之，当过程响应慢（如温度、成份）、滞后大时，可选取较长的采样周期；采样周期的选取应与 PID参数的整定进行综合考虑，采样周期应远小于过程的扰动信号的周期，在执行器的响应速度比较慢时，过小的采样周期将失 去意义，因此可适当选大一点；在运算机运算速度答应的条件下，采样周期短， 就掌握品质好；当过程的纯滞后时间较长时，一般选取采样周期为纯滞后时间的 1/4 1/8 ；（2） 整定概述：人们通过对 PID掌握理论的熟悉和长期人工操作体会的总结，可知 PID参数应依据以下几点来 适应系统的动态过程；1、 在偏差比较大时， 为使尽快排除偏差，提高响应速度， 同时为了避免系统响应显现超调， Kp 取大值， Ki取零；在偏差比较小时，为连续减小偏 差，并防止超调过大、产生振荡、稳固性变坏，Kp 值要减小， Ki取小值； 在偏差很小时，为排除静差，克服超调，使系统尽快稳固，Kp 值连续减小， Ki 值不变或稍取大；2、当偏差与偏差变化率同号时，被控量是朝偏离既定值方向变化；因此， 当被控量接近定值时，反号的比列作用阻碍积分作用，防止积分超调及随之而来的振荡，有利于掌握；而当被控量远未接近各定值并向定值变化时，就由于这两项反向，将会减慢掌握过程；在偏差比较大时，偏差变化率与偏差异号时， Kp 值取零或负值，以加快掌握的动态过程；3、偏差变化率的大小说明偏差变化的速率，越大， 取值越小， 取值越大，反之亦然；同时，要结合偏差大小来考虑；4、微分作用可改善系统的动态特性，阻挡偏差的变化，有助于减小超调量，排除振荡，缩短调剂时间，答应加大 ，使系统稳态误差减小，提高掌握精度，达到中意的掌握成效；所以，在比较大时，取零，实际为 PI掌握； 在 比较小时， 取一正值，实行 PID掌握；（3） 常用整定方法：PID 调剂器参数整定方法很多，常见的工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法和体会法、凑试法；凑试法依据先比例（ P ）、再积分（ I ）、最终微分（ D）的次序；置调剂器积分时间 Ti = ， 微分时间 Td =0 ， 在比例系数 按体会设置的初值条件下， 将系统投入运行，由小到大整定比例系数 ；求得中意的 1/4 衰减度过渡过程曲线；欢迎下载精品学习资源引入积分作用（此时应将上述比例系数Kp 设置为 5/6 Kp）；将 Ti由大到小进行整定；如需引入微分作用时，就将Td 按体会值或按 Td = （ 1/3 1/4 ） Ti设置，并由小到大加入；衰减曲线法衰减曲线法整定调剂器参数通常会依据4：1 和 10： 1 两种衰减方式进行， 两种方法操作步骤相同，但分别适用于不同工况的调剂器参数整定；4： 1 衰减曲线法整定调剂器参数纯比例度作用下的自动调剂系统，在比例度逐步减小时，显现4： 1 衰减振荡过程，此时比例度为4：1 衰减比例度 s，两个相邻同向波峰之间的距离为4:1 衰减操作周期 TS，如下图所示4： 1 衰减曲线法整定 PID 参数步骤1、将调剂器积分时间设定为无穷大、微分时间设定为零（即Ti ， Td0），比例度适当取值，调剂系统按纯比例作用投入；系统稳固后，逐步减小比例度，依据工艺操作的许可程度加2 -3 的干扰，观看调剂过程变化情形， 直到调剂过程变化达到规定的4：1 衰减比为止，得到4：1 衰减情形下的比例度s 和衰减操作周期 TS；2、依据 s 和 Ts 值按以下公式运算出调剂器整定参数4：1 衰减曲线法 PID 参数整定体会公式3、将比例度放在比运算值略大的数值上，逐步引入积分和微分作用；4、将比例度降至运算值上，观看运行，适当调整；欢迎下载精品学习资源10：1 衰减曲线法整定调剂器参数在部分调剂系统中，由于采纳4： 1 衰减比仍嫌振荡比较厉害，就可采纳10：1 的衰减过程，如下图所示；这种情形下由于衰减太快，要测量操作周期比较困难，但可测取从施加干扰开头至第一个波峰飞升时间Tr；10：1 衰减曲线法整定调剂参数步骤和的整定参数和体会公式不同；10：1 衰减曲线法 PID 参数整定体会公式4：1 衰减曲线法完全一样，仅采纳三、基于临界比例度法的PID 掌握器参数整定算法1、临界比例度法的定义适用于已知对象传递函数场合 ；在闭环的掌握系统里，将调剂器置于纯比例作用下，从大到小逐步转变调剂器比例度的大小，得到等幅震荡的过渡过程；此时的比例度称为临界比例度；相邻两个波峰间的距离称为临界震荡周期；一个调剂系统，在阶跃干扰作用下，显现既不发散也不衰减的等幅震荡过欢迎下载精品学习资源程，此过程称为等幅振荡过程，如下图所示；此时PID 调剂器的比例度为临界比例度k，被调参数的工作周期为为临界周期Tk；2、临界比例度法整定 PID 参数步骤2.1将调剂器积分时间设定为无穷大、微分时间设定为零（即Ti ， Td 0），比例度适当取值，调剂系统按纯比例作用投入；稳固后，适当减小比例度，在外界干扰作用下，观看过程变化情形，寻取系统等幅振荡临界状态，得到临界参数；2.2 依据临界比例度 k 和临界周期 Tk，按下表运算出调剂器参数整定值临界比例度法 PID 参数整定体会公式2.3 、将运算所得的调剂器参数输入调剂器后再次运行调剂系统，观看过程变化情形；多数情形下系统均能稳固运行状态，假如仍未达到抱负掌握状态， 进需要对参数微调即可；欢迎下载精品学习资源四、利用 Simulink建立仿真模型1、确定临界比例度和临界振荡周期 系统的开环传递函数为 : 劳斯表判定系统稳固性：S323S27KP S1 21-2KP/7S0KP可得出：想要系统闭环稳固，就0<Kp<21/2 使用 MA TLAB绘制系统开环根轨迹：依据系统稳固性的特点 ,可以知道当根轨迹分布于复平面的右半平面时,系统是不稳固的 ,而假如在左半平面上分布时系统是稳固的；根轨迹和虚轴相交的那一点就是系统的临界稳固点 ,此时 K 的取值就是能够使系统显现等幅振荡的临界比例；临界比例度法的第一步是获得系统的等幅震荡曲线，由上运算得，系统临欢迎下载精品学习资源界稳固时， Kp 等于 21/2，频率 3.16rad/s，由下图算得等幅振荡周期 Tk=2s；2、系统仿真模型的建立打开 MATLAB后，点击 Simulink Library按钮之后会进入 Simulink模块库界面，点击新建模型；在 Simlink模块库界挑选我们需要的模块后，单击右键 添加到新建模型的文件当中，将每一个模块用连起来并设置响应的参数, 最终将文件储存；第一，打开 matlab 软件，点击上方 simulink库，显现以下界面：欢迎下载精品学习资源可以看到里面有很多模块，例如: 常用模块，线性模块，非线性模块，离散模块等等；其次步：点击左上方 new model 按钮，创建新的模型；第三步：现在我们要在下面这个空白model 里建立我们自己需要的模型；Simulink系统仿真系统框图如图：建立好系统仿真图后，设置 PID 参数，将积分时间设置为无穷大，微分时间设置为 0，比例增益 Kc设置较小的值，并设置仿真时间；欢迎下载精品学习资源3、Simulink系统仿真框图参数整定后利用 Simulink系统仿真框图分别设置相应的掌握器参数后，启动仿 真，便可在示波器中看到系统的P 掌握、 PI 掌握和 PID 掌握时的单位阶跃响应；如下图所示3.1 P掌握查表可知 P 整定时，比例放大系数为 Kp=21，将 Kp设置为 21，得到 P掌握时系统单位阶跃响应曲线如下图；P 掌握3.2 PI掌握查表可知 PI 整定时，比例放大系数为 Kp=23.1，将 Kp 设置为 23.1 ，连上积分器积分时间常数为 Ti=1.7s ；得到 PI 掌握时系统单位阶跃响应曲线如下图；欢迎下载精品学习资源PI 掌握3.3 PID 掌握查表可知 PID 整定时，比例放大系数为 Kp=8.4，将 Kp 设置为 8.4 ，连上积分器积分时间常数为 Ti=2.7s ；连上微分器且微分时间常数为 Td=0.8s ；得到 PID 掌握时系统单位阶跃响应曲线如下图；欢迎下载精品学习资源PID 掌握五、总结本次课程设计是掌握系统的 MATLAB仿真与设计课程的一次课程设计；在这次试验中，我学到很多东西，加强了我的动手才能，并且培育了我的独立思 考才能；特殊是在做试验报告时，由于在做数据处理时显现很多问题，假如不 解决的话，将会很难的连续下去；在使用临界比例度法对 PID掌握器进行参数整定时 ,第一利用劳斯稳固判据和根轨迹图快速得到使系统临界稳固的临界比例度和振荡周期；其次,依据体会公式运算出 PID掌握器的各个参数值 ,利用 Simulink 进行仿真 ,进一步分析系统的各项性能指标是否能够达到设计要求 ,假如性能不能令人中意 ,应考虑对 PID参数多次整定 ,直至系统各项性能指标满意要求；通过这次试验我不但对理论学问有了更加深的懂得，对于实际的操作和也有了质的飞跃；经过这次的试验，我们整体对各个方面都得到了不少的提高；参考文献1 郭阳宽等 . 过程掌握工程及仿真基于MATLAB/Simulink. 电子工业出版社， 20212 李国勇等 .运算机仿真技术与 CAD. 北京：电子工业出版社， 20213 王海英等 . 掌握系统的MATLAB仿真与设计 . 北京：高等训练出版社，20214 王正林等 . MATLAB/Simulink与掌握系统仿真，电子工业出版社， 20215 涂植英等 . 自动掌握原理 . 重庆高校出版社 ,2005欢迎下载