过程控制课设报告PID整定方法的比较与研究.doc

过程控制课程设计报告 题 目： PID整定方法的比较与研究 姓 名： 学 号： 专 业： 电气自动化 年 级： 2009 指导教师： 2012年 4月 23日目 录1、任务书 12、设计内容 2 2.1、单回路控制系统模型建立 2 2.2、用临界比例度法整定P、PI控制器参数 3 2.3、用衰减振荡法整定P、PI控制器参数 4 2.4、用反应曲线法整定P、PI控制器参数 5 2.5、系统性能测试 6 2.6、扰动测试 93、设计总结 13 3.1、三种整定方法的比较 133.2、P、PI控制效果的比较 143.3、设计过程中遇到的问题及解决方法 154、心得体会 151 任务书一、设计题目PID 整定方法的比较研究二、设计任务与原始数据设计水槽水位单回路控制系统如图 1 所示：图1 水槽水位控制系统在阀门开度Du 阶跃变化50%时，测得液位的响应数据如表1 所示：(1)液位必须控制在一定范围内，否则会影响系统的稳定运行，出现安全事故。液位测量变速器的测量范围为100400mm。已知测量变送环节均为线性测量变送元件。(2)控制系统采用DDZ-III 型仪表，输入输出信号为标准电流信号。(3)阀门为直线特性。三、设计内容1、用具有纯滞后的一阶惯性环节近似该被控过程的数学模型；2、分别用临界比例度法、衰减振荡法、反应曲线法整定P，PI 控制器参数；3、利用MATLAB/SIMULINK 构建单回路控制系统模型；4、测试系统液位设定值为300mm 时的响应曲线，计算性能指标；5、在系统稳定状态下，阀门2 加入10%开度的扰动，测试系统的响应曲线，计算性能指标；6、比较不同整定方法的控制效果。7、比较P、PI 控制效果。2 设计内容2.1单回路控制系统模型建立 由响应数据可得如图2的响应曲线：图2 阶跃响应的拟合曲线 用具有纯滞后的一阶惯性环节近似该被控过程的数学模型：利用MATLAB/SIMULINK构建单回路控制系统模型如图3所示：图3 单回路控制系统模型2.2用临界比例度法整定P、PI控制器参数具体整定步骤如下： 将控制器的积分时间TI置于最大（ TI =） ，比例带置为较大的数值, 把系统投入闭环运行。系统稳定后，施加一个阶跃输入；减小比例度，直到出现等幅振荡为止。记录临界比例带和等幅振荡周期。 根据和 ，采用表2中的经验公式，计算控制器各参数。表2 采用临界比例度法的整定参数系统的临界振荡过程如图4所示： 图4 系统的临界振荡过程由表2的经验公式可得：P控制器参数：PI控制器参数： 2.3用衰减振荡法整定P、PI控制器参数具体整定步骤如下： 将控制器的积分时间TI置于最大（ TI =） ，比例带置为较大的数值, 把系统投入闭环运行。 系统稳定后，施加一个阶跃输入；减小比例度，直到出现如图5所示衰减比n=4:1的振荡过程。记录此时的比例带和相应的衰减振荡周期。 根据和 ，采用表3中的经验公式，计算控制器各参数。表3 衰减曲线法整定计算公式 系统的衰减振荡过程： （）图5 系统的衰减振荡过程由表3的经验公式可得：P控制器参数：PI控制器参数： 2.4用反应曲线法整定P、PI控制器参数根据齐格勒（Ziegler）-尼科尔斯（Nichols）整定公式，如表4所示：表4 自衡过程的整定计算公式P控制器参数：PI控制器参数： 2.5系统性能测试测试系统液位设定值为300mm时的响应曲线，并计算性能指标 临界比例度法P控制：其响应曲线如图6所示：图6 临界比例度法P控制设定值的响应曲线超调=（230.5-157.16）/157.16×100=46.67调节时间ts=3.26min（=0.05）峰值时间tp=1.2067min稳态误差E（）=300-157.16=142.84mm PI控制： 其响应曲线如图7所示：图7临界比例度法PI控制设定值的响应曲线超调=0调节时间ts=4.95min（=0.05）峰值时间tp=1.4073min稳态误差E（）=0 衰减振荡法 P控制：其响应曲线如图8所示：图8 衰减振荡法P控制设定值的响应曲线超调=（263.627-167.886）/167.886×100=57.03调节时间ts=4.04min（=0.05）峰值时间tp=1.1858min稳态误差E（）=300-167.89=132.11mmPI控制： 其响应曲线如图9所示：图9衰减振荡法PI控制设定值的响应曲线超调=（362.067-300）/300×100=20.69调节时间ts=3.01min（=0.05）峰值时间tp=1.4569min稳态误差E（）=0 反应曲线法 P控制：其响应曲线如图10所示：图10反应曲线法P控制设定值的响应曲线超调=（151.076-123.11）/123.11×100=22.72调节时间ts=1.80min（=0.05）峰值时间tp=1.3006min稳态误差E（）=300-123.11=176.89mmPI控制： 其响应曲线如图11所示：图11反应曲线法PI控制设定值的响应曲线超调=（410-300）/300×100=36.67调节时间ts=3.99min（=0.05）峰值时间tp=1.8312min稳态误差E（）=02.6 扰动测试在系统稳定状态下（设定值为200mm），阀门2加入10%开度的扰动，测试系统的响应曲线，计算性能指标 临界比例度法P控制：其响应曲线如图12所示：图12临界比例度法P控制扰动的响应曲线调节时间ts=1.84min（=0.05） 稳态误差E（）=118.13-104.8=13.33mmPI控制： 其响应曲线如图13所示：图13临界比例度法PI控制扰动的响应曲线调节时间ts=1.68min（=0.05） 稳态误差E（）=0 衰减振荡法 P控制：其响应曲线如图14所示：图14衰减振荡法P控制扰动的响应曲线调节时间ts=1.63min （=0.05） 稳态误差E（）=124.23-111.86=12.37mmPI控制： 其响应曲线如图15所示：图15衰减振荡法PI控制扰动的响应曲线调节时间ts=1.73min（=0.05） 稳态误差E（）=0 反应曲线法 P控制：其响应曲线如图16所示：图16反应曲线法P控制扰动的响应曲线调节时间ts=0.79min（=0.05）稳态误差E（）=98.63-82.07=16.56mmPI控制： 其响应曲线如图17所示：图17反应曲线法PI控制扰动的响应曲线调节时间ts=1.85min（=0.05） 稳态误差E（）=03 设计总结3.1 三种整定方法的比较通过以上试验可得用三种方法整定的P、PI控制时系统的性能指标如表5所示：表5 系统的性能指标性能指标整定方法设定值SV=300mm扰动（10%开度）ts(min)tp(min)E（）（mm）ts(min)E（）（mm）临界比例度法P46.673.261.2067142.841.8413.33PI04.951.407301.680衰减振荡法P57.034.041.1858132.111.6312.37PI20.693.011.456901.730反应曲线法P22.721.801.3006176.890.7916.56PI36.673.991.831201.850共同点：三种整定方法都是通过试验获取某些特征参数，然后再按照工程经验公式计算控制器的整定参数。不同点： 临界比例度法和衰减曲线法都是闭环整定方法，其优点是不需要掌握被控过程的数学模型。但这两种方法都存在一定的缺点，如对于临界比例度，由于有些过程控制系统不允许反复振荡试验，有些时间常数较大的单容过程采用比例控制时根本不可能出现等幅振荡，即不能应用此法；对于衰减曲线法，要确定系统4:1的衰减程度比较困难，从而使获得的值和值可能存在误差。 反应曲线法是开环整定方法，即通过系统开环试验得到被控过程的特征参数后，再对控制器参数进行整定。这种方法的适用性较广，并为控制器参数的最佳整定提供了可能。与其他两种方法相比，反应曲线法所受试验条件的限制较少，通用性较强。 从控制效果来看，对于三种整定方法得到的PI控制器，衰减振荡法的控制效果比其他两种方法相对较好，如就调节时间这一性能指标（如表5所示），衰减振荡法ts=3.01min，而临界比例度法ts=4.95min，反应曲线法ts=3.99min，可见相比其他两种方法，衰减振荡法整定的PI控制器使系统具有较好的动态性能。 从抗干扰能力来看，就PI控制，在系统稳定状态下，给系统加入扰动时，从系统再次恢复稳定状态的动态性能看（如表5所示），临界比例度法ts=1.68min，衰减振荡法ts=1.73min，反应曲线法ts=1.85min，可见临界比例度法和衰减曲线法的抗干扰能力都优于反应曲线法。3.2 P、PI控制效果的比较P控制当比例带分别为0.7375、0.851、1.3449时，相应的稳态误差分别为132.114mm、142.84mm、176.89mm，相应的超调分别为57.03、46.67、22.72（如表5所示），可见比例控制是一种有差调节，即当采用比例控制时，不可避免的会使系统存在稳态误差；比例控制的稳态误差随比例带的增大而增大；随着比例带的减小，系统的稳定性变差。PI控制 当系统采用PI控制时，系统的稳态误差为0，可见积分控制可以提高系统的稳态控制精度；从对比P、PI控制时系统的调节时间可见（如表5所示），积分作用降低系统的振荡频率，使闭环控制系统的响应变慢；从抗干扰能力看，PI控制能使系统在出现扰动后快速恢复到原来的稳定值。3.3 设计过程中遇到的问题及解决方法 如何利用MATLAB对响应数据进行曲线的拟合。解决方法：通过查看相关MATLAB的书籍，了解MATLAB曲线拟合的相关知识。 如何使仿真得到的响应曲线光滑。 解决方法：通过SimulationàConfiguration Parameters打开仿真参数设置对话框，设置Max step size=0.01。 如何从Scope中的曲线上准确读取某点的坐标值。解决方法：通过鼠标不断单击曲线上要读取的点直到能从坐标轴上读取较准确的坐标值。4 心得体会 通过此次的课程设计不仅检验了我所学的知识，而且还让我从中学到了更多的知识，也提高了我的实践能力。在做课程设计之前，由于对MATLAB了解甚少，因此通过查看相关的书籍使我初步学会了如何利用MATLAB进行控制系统的设计与仿真，这促使我能够主动地通过查阅书籍去获取自己所欠缺的知识。通过用临界比例度法、衰减振荡法、反应曲线法整定P、PI控制器参数，让我学会如何利用这三种方法进行PID参数的整定，而且也让我对P、PI控制有了更深的了解。另外通过对设计结果的分析与总结，让我从中培养了分析问题解决问题的能力。在课程设计过程中，不免遇到了各种问题，通过老师的帮助和查阅相关的书籍，使我能够很好地解决遇到的问题，这为我在今后如何去面对实践中遇到的问题积累了宝贵的经验。总之，此次的课程设计虽然只有短短几个学识的时间，但这能让我从中受益匪浅。不仅能巩固所学的知识，对所学知识有更深的理解和体会，还能培养各种能力，如实践动手能力、分析问题解决问题的能力，也积累了宝贵的经验。我的大学爱情观目录：一、 大学概念二、 分析爱情健康观三、 爱情观要三思四、 大学需要对爱情要认识和理解五、 总结1、什么是大学爱情：大学是一个相对宽松，时间自由，自己支配的环境，也正因为这样，培植爱情之花最肥沃的土地。大学生恋爱一直是大学校园的热门话题，恋爱和学业也就自然成为了大学生在校期间面对的两个主要问题。恋爱关系处理得好、正确，健康，可以成为学习和事业的催化剂，使人学习努力、成绩上升；恋爱关系处理的不当，不健康，可能分散精力、浪费时间、情绪波动、成绩下降。因此，大学生的恋爱观必须树立在健康之上，并且树立正确的恋爱观是十分有必要的。因此我从下面几方面谈谈自己的对大学爱情观。2、什么是健康的爱情：1) 尊重对方，不显示对爱情的占有欲，不把爱情放第一位，不痴情过分；2) 理解对方，互相关心，互相支持，互相鼓励，并以对方的幸福为自己的满足; 3) 是彼此独立的前提下结合；3、什么是不健康的爱情：1)盲目的约会，忽视了学业;2)过于痴情，一味地要求对方表露爱的情怀，这种爱情常有病态的夸张;3)缺乏体贴怜爱之心，只表现自己强烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大学生处理两人的在爱情观需要三思：1. 不影响学习：大学恋爱可以说是一种必要的经历，学习是大学的基本和主要任务，这两者之间有错综复杂的关系，有的学生因为爱情，过分的忽视了学习，把感情放在第一位；学习的时候就认真的去学，不要去想爱情中的事，谈恋爱的时候用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。2. 有足够的精力：大学生活，说忙也会很忙，但说轻松也是相对会轻松的！大学生恋爱必须合理安排自身的精力，忙于学习的同时不能因为感情的事情分心，不能在学习期间，放弃学习而去谈感情，把握合理的精力，分配好学习和感情。3、 有合理的时间；大学时间可以分为学习和生活时间，合理把握好学习时间和生活时间的“度”很重要；学习的时候，不能分配学习时间去安排两人的在一起的事情，应该以学习为第一；生活时间，两人可以相互谈谈恋爱，用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。5、大学生对爱情需要认识与理解，主要涉及到以下几个方面：（一） 明确学生的主要任务“放弃时间的人，时间也会放弃他。”大学时代是吸纳知识、增长才干的时期。作为当代大学生，要认识到现在的任务是学习学习做人、学习知识、学习为人民服务的本领。在校大学生要集中精力，投入到学习和社会实践中，而不是因把过多的精力、时间用于谈情说爱浪费宝贵的青春年华。因此，明确自己的目标，规划自己的学习道路，合理分配好学习和恋爱的地位。（二） 树林正确的恋爱观提倡志同道合、有默契、相互喜欢的爱情：在恋人的选择上最重要的条件应该是志同道合，思想品德、事业理想和生活情趣等大体一致。摆正爱情与学习、事业的关系：大学生应该把学习、事业放在首位，摆正爱情与学习、事业的关系，不能把宝贵的大学时间，锻炼自身的时间都用于谈情说有爱而放松了学习。 相互理解、相互信任，是一份责任和奉献。爱情是奉献而不时索取，是拥有而不是占有。身边的人与事时刻为我们敲响警钟，不再让悲剧重演。生命只有一次，不会重来，大学生一定要树立正确的爱情观。（三） 发展健康的恋爱行为 在当今大学校园，情侣成双入对已司空见惯。抑制大学生恋爱是不实际的，大学生一定要发展健康的恋爱行为。与恋人多谈谈学习与工作，把恋爱行为限制在社会规范内，不致越轨，要使爱情沿着健康的道路发展。正如马克思所说：“在我看来，真正的爱情是表现在恋人对他的偶像采取含蓄、谦恭甚至羞涩的态度，而绝不是表现在随意流露热情和过早的亲昵。”（四） 爱情不是一件跟风的事儿。很多大学生的爱情实际上是跟风的结果，是看到别人有了爱情，看到别人幸福的样子（注意，只是看上去很美），产生了羊群心理，也就花了大把的时间和精力去寻找爱情（五） 距离才是保持爱情之花常开不败的法宝。爱情到底需要花多少时间，这是一个很大的问题。有的大学生爱情失败，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们在一起的时间太多。相反，很多大学生恋爱成功，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们准确地把握了在一起的时间的多少程度。（六） 爱情不是自我封闭的二人世界。很多人过分的活在两人世界，对身边的同学，身边好友渐渐的失去联系，失去了对话，生活中只有彼此两人；班级活动也不参加，社外活动也不参加，每天除了对方还是对方，这样不利于大学生健康发展，不仅影响学习，影响了自身交际和合作能力。总结：男女之间面对恋爱，首先要摆正好自己的心态，树立自尊、自爱、自强、自重应有的品格，千万不要盲目地追求爱，也不宜过急追求爱，要分清自己的条件是否成熟。要树立正确的恋爱观，明确大学的目的，以学习为第一；规划好大学计划，在不影响学习的条件下，要对恋爱认真，专一，相互鼓励，相互学习，共同进步；认真对待恋爱观，做健康的恋爱；总之，我们大学生要树立正确的恋爱观念，让大学的爱情成为青春记忆里最美的风景，而不是终身的遗憾！