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实验1闭环控制系统仿真实验——PID控制算法仿真一、实验目的1．掌握PID控制规律及控制器实现。2．掌握用Simulink建立PID控制器及构建系统模型与仿真方法。二、实验设备计算机、MATLAB软件三、实验原理在模拟控制系统中，控制器中最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差。PID控制规律写成传递函数的形式为sKsKiKsTsTKsUsEsGdpdip)11()()()(式中，PK为比例系数；iK为积分系数；dK为微分系数；ipiKKT为积分时间常数；pddKKT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iT，iT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。四、实验过程1、在MATLAB命令窗口中输入“simulink”进入仿真界面。2、构建PID控制器：（1）新建Simulink模型窗口（选择“File/New/Model”）,在SimulinkLibraryBrowser中将需要的模块拖动到新建的窗口中，根据PID控制器的传递函数构建出如下模型：各模块如下：MathOperations模块库中的Gain模块，它是增益。拖到模型窗口中后，双击模块，在弹出的对话框中将‘Gain’分别改为‘Kp’、‘Ki’、‘Kd’，表示这三个增益系数。Continuous模块库中的Integrator模块，它是积分模块；Derivative模块，它是微分模块。MathOperations模块库中的Add模块，它是加法模块，默认是两个输入相加，双击该模块，将‘ListofSigns’框中的两个加号（++）后输入一个加号（+），这样就改为了三个加号，用来表示三个信号的叠加。Ports&Subsystems模块库中的In1模块（输入端口模块）和Out1模块（输出端口模块）。（2）将上述结构图封装成PID控制器。①创建子系统。选中上述结构图后再选择模型窗口菜单“Edit/CreatSubsystem”②封装。选中上述子系统模块，再选择模型窗口菜单“Edit/MaskSubsystem”③根据需要，在封装编辑器对话框中进行一些封装设置，包括设置封装文本、对话框、图标等。本次试验主要需进行以下几项设置：Icon（图标）项：“Drawingcommands”编辑框中输入“disp(‘PID’)”，如下上图示：Parameters(参数)项：创建Kp,Ki,Kd三个参数，如下图示：至此，PID控制器便构建完成，它可以像Simulink自带的那些模块一样，进行拖拉，或用于创建其它系统。3、搭建一单回路系统结构框图如下图所示：所需模块及设置：Sources模块库中Step模块；Sinks模块库中的Scope模块；CommonlyUsedBlocks模块库中的Mux模块；Continuous模块库中的Zero-Pole模块。Step模块和Zero-Pole模块设置如下：4、构建好一个系统模型后，就可以运行，观察仿真结果。运行一个仿真的完整过程分成三个步骤：设置仿真参数、启动仿真和仿真结果分析。选择菜单“Simulation/ConfiurationParameters”，可设置仿真时间与算法等参数，如下图示：其中默认算法是ode45（四/五阶龙格-库塔法），适用于大多数连续或离散系统。5、双击PID模块，在弹出的对话框中可设置PID控制器的参数Kp,Ki,Kd：设置好参数后，单击“Simulation/Start”运行仿真，双击Scope示波器观察输出结果，并进行仿真结果分析。比较以下参数的结果：（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这组数据为基础，改变其中一个参数，固定其余两个，以此来分别讨论Kp,Ki,Kd的作用。7、分析不同调节器下该系统的阶跃响应曲线（1）P调节Kp=8（2）PI调节Kp=5,Ki=2（3）PD调节Kp=8.5,Kd=2.5（4）PID调节Kp=7.5,Ki=5,Kd=3五．实验曲线及数据处理把实验曲线记录下来，并分析不同参数下的变化情况。六.总结1、P控制规律控制及时但不能消除余差，I控制规律能消除余差但控制不及时且一般不单独使用，D控制规律控制很及时但存在余差且不能单独使用。2、比例系数越小，过渡过程越平缓，稳态误差越大；反之，过渡过程振荡越激烈，稳态误差越小；若Kp过大，则可能导致发散振荡。Ti越大，积分作用越弱，过渡过程越平缓，消除稳态误差越慢；反之，过渡过程振荡越激烈，消除稳态误差越快。Td越大，微分作用越强，过渡过程趋于稳定，最大偏差越小；但Td过大，则会增加过渡过程的波动程度。3、P和PID控制器校正后系统响应速度基本相同（调节时间ts近似相等），但是P控制器校正产生较大的稳态误差，而PI控制器却能消除余差，而且超调量较小。PID控制器校正后系统响应速度最快，但超调量最大。小知识PID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。实验2离心泵恒流量控制实验一．实验目的1．测定离心泵恒流量控制系统在阶跃干扰作用下，离心泵出口流量的过渡过程，利用最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间等参数评价离心泵恒流量控制系统的控制质量。2．掌握比例度P、积分时间I参数在流量控制系统中的作用和对过渡过程品质指标的影响。二、实验装置过程设备与控制多功能实验台三、实验原理离心泵恒流量控制系统图如图1所示，控制过程如图2所示。图1离心泵恒流量控制系统图图2离心泵恒流量控制过程离心泵恒流量控制系统为单回路简单控制系统，安装在离心泵出口管路上涡轮流量传感器TT将离心泵出口流量转换成脉冲信号，其脉冲频率经频率/电压转换器转换成电压信号后输出至流量调节器TC，TC将流量信号与流量给定值比较后，按PID调节规律输出4—20mA信号，驱动电动调节阀改变调节阀的开度，达到恒定离心泵出口流量的目的。离心泵恒流量控制系统方框图如图3所示。控制参数如下：1．控变量y：离心泵出口流量Q。2．定值(或设定值)ys：对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实验中取1.5L/s。3．测量值ym：由传感器检测到的被控变量的实际值，在本实验中为离心泵出口流量值Q。4．操纵变量(或控制变量)：实现控制作用的变量，在本实验中为离心泵出口流量。使用电动调节阀作为执行器对离心泵出口流量进行控制。电动调节阀的输入信号范围：4—20mA；输出：阀门开度0-16mm。5．干扰(或外界扰动)f：干扰来自于外界因素，将引起被控变量偏离给定值。在本实验中采用突然改变离心泵转速的方法，改变离心泵出口压力，人为模拟外界扰动给控制变量造成干扰。6．偏差信号e被控变量的实际值与给定值之差，e=ys-ym。ym---离心泵出口流量值Q。ys---离心泵出口流量设定值。7．控制信号u工业调节器将偏差按一定规律计算得到的量。离心泵恒流量控制系统采用比例积分控制规律(P1D)对离心泵流量进行控制。比例积分控制规律是比例与积分两种控制规律的组合，理想的PID调节规律的数学表达式为：01()()()()tPDIdetutKetetdtTTdt图3离心泵恒流量控制系统方框图假定在时间t=0之前，系统稳定，且被调参数---离心泵的出口流量Q等于设定值。若在t=0时刻，外加压力阶跃干扰，离心泵出口压力开始变化并按衰减振荡的规律经过一段时间后，离心泵出口流量逐渐趋于稳定。完成了一次过渡过程。四、实验步骤1.将流量表设定值设为：SV=2.0L/s，P=300，I=4；2.开动冷水泵，关闭出口截止阀或出口球阀3.调节压力调节旋钮，使压力表显示值为0.45Mpa；4.调节流量调节旋钮，使流量表显示值为2.0L/s；5.按下流量表下的自动按钮；当流量稳定后，鼠标点击清空数据库，鼠标点击记录数据，开始记录数据；6.调节压力调节旋钮使压力改变0.05Mpa左右，造成人为干扰，观察流量恢复过程；7.退出组态王，运行数据处理程序，观察温度变化曲线。五、计算过渡过程质量指标1．最大偏差A：被调参数的最大值。2．余差()e：当过渡过程终了时，被调参数所达到的新的稳态值与给定值之差。3．衰减比n：过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，一般n取4～10之间为宜。4．振荡周期：过渡过程同向两波峰(或波谷)之间的间隔时间叫振荡周期或工作周期，在衰减比相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短一些为好。5．过度时间ts：从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间。六、要求1．写出实验报告。2．回答思考题。思考题1．离心泵恒流量控制系统在压力阶跃干扰作用下，比例度P的大小对过渡过程会产生什么影响？2．离心泵恒流量控制系统在阶跃压力干扰作用下，积分常数I的大小对过渡过程会产生什么影响？中北大学机械工程与自动化学院实验报告课程名称过程装备控制技术及应用学号1302054140学生姓名姜树林辅导教师刘广璞系别过程装备与控制工程实验室名称实验时间1．实验名称离心泵恒流量控制实验2.实验目的（1）测定离心泵恒流量控制系统在阶跃干扰作用下，离心泵出口流量的过渡过程，利用最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间等参数评价离心泵恒流量控制系统的控制质量。（2）掌握比例度P、积分时间I参数在流量控制系统中的作用和对过渡过程品质指标的影响。3.实验内容在PID控制规律下，在相同干扰作用下，分别改变比例度、积分时间和微分时间的值对过渡过程的影响。4.实验原理离心泵恒流量控制系统图如图1所示，控制过程如图2所示。图1离心泵恒流量控制系统图图2离心泵恒流量控制过程离心泵恒流量控制系统为单回路简单控制系统，安装在离心泵出口管路上涡轮流量传感器TT将离心泵出口流量转换成脉冲信号，其脉冲频率经频率/电压转换器转换成电压信号后输出至流量调节器TC，TC将流量信号与流量给定值比较后，按PID调节规律输出4—20mA信号，驱动电动调节阀改变调节阀的开度，达到恒定离心泵出口流量的目的。离心泵恒流量控制系统方框图如图3所示。控制参数如下：（1）控变量y：离心泵出口流量Q。（2）定值(或设定值)ys：对应于被控变量所需保持的工艺参数值，在本实验中取1.5L/s。（3）测量值ym：由传感器检测到的被控变量的实际值，在本实验中为离心泵出口流量值Q。（4）操纵变量(或控制变量)：实现控制作用的变量，在本实验中为离心泵出口流量。使用电动调节阀作为执行器对离心泵出口流量进行控制。电动调节阀的输入信号范围：4—20mA；输出：阀门开度0-16mm。（5）干扰(或外界扰动)f：干扰来自于外界因素，将引起被控变量偏离给定值。在本实验中采用突然改变离心泵转速的方法，改变离心泵出口压力，人为模拟外界扰动给控制变量造成干扰。（6）偏差信号e被控变量的实际值与给定值之差，e=ys-ym。ym---离心泵出口流量值Q。ys---离心泵出口流量设定值。（7）控制信号u工业调节器将偏差按一定规律计算得到的量。离心泵恒流量控制系统采用比例积分控制规律(P1D)对离心泵流量进行控制。比例积分控制规律是比例与积分两种控制规律的组合，理想的PID调节规律的数学表达式为：01()()()()tPDIdetutKetetdtTTdt图