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1、精选优质文档-倾情为你奉上实验五 系统 PID 控制器设计及其参数整定一、实验目的（1） 掌握 PID 控制规律及控制器实现。（2） 对给定系统合理地设计 PID 控制器。（3） 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、实验原理在串联校正中，比例控制可提高系统开环增益，减小系统稳态误差，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（无差度），有利于提高系统稳态性能，但积分控制增加了一个位于原点的 开环极点。使信号产生 90的相位滞后，于系统的稳定不利，故不宜采用单一的积分控制 器；微分控制规律能反映输
2、入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的 阻尼程度，从而改善系统的稳定性，但微分控制增加了一个-1/ 的开环零点，使系统的相 角裕度提高，因此有助于系统稳态性能的改善。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，有利于提高系统稳态性能；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为减小。PI 控制器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
3、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。通常应使积分发生在低频段，以提高系统的稳态性能，而使微分发生在中频段， 以改善系统的动态性能。PID 控制器传递函数为 Ge（s）=Kp（1+1/Ti s +Tds），注意工程 PID 控制器仪表中比 例参数整定常用比例度 %，% =1/Kp*100%.三、实验内容（1）Ziegler-Nichols反应曲线法反应曲线法适用于对象传递函数可以近似为 e-Ls 的场合。先测出系统处于开环状态 下的对象动态特性(即先输入阶跃信号，测得控制对象输出的阶跃响应曲
4、线)，如图 6-25 所 示，然后根据动态特性估算出对象特性参数，控制对象的增益 K、等效滞后时间 L 和等效 时间常数 T，然后根据表 5-4 中的经验值选取控制器参数。图 5-1 控制对象开环动态特性表 5-1反应曲线法 PID 控制器参数整定控制器类型比例度 %比例系数 Kp积分时间 Ti微分时间 TdPKL/TT/KL0PI1.1KL/T0.9T/KLL/0.30PID0.85KL/T1.2T/KL2L0.5L【范例 5-1】已知控制对象的传递函数模型为: G(s)=试设计 PID 控制器校正，并用反应曲线法整定 PID 控制器的 Kp、Ti 和 Td，绘制系统校正 后的单位阶跃响应曲
5、线，记录动态性能指标。【解】 1）求取被控制对象的动态特性参数 K、L、T。%graph32.mnum=10;den=conv(1,1,conv(1,3,1,5);G=tf(num,den);step(G);k=dcgain(G)k=0.6667图 5-2 控制对象开环阶跃响应曲线程序运行后，得到对象的增益 K=0.6667，阶跃响应曲线如图 5-2所示，在曲线的拐点处 作切线后，得到对象待定参数；等效滞后时间 L=0.293s，等效时间常数 T=2.24-0.293=1.947s。2） 反应曲线法 PID 参数整定%graph33.mnum=10;den=conv(1,1,conv(1,3,
6、1,5);k=0.6667;L=0.293;T=1.947;G=tf(num,den);Kp=1.2*T/(k*L);Ti=2*L;Td=0.5*L;Kp,Ti,Td,s=sym(s);Gc=Kp*(1+1/(Ti*s)+Td*s);GcG=feedback(Gc*G,1);step(GcG)Kp =11.9605 Ti = 0.5860Td =0.1465程序运行后，得到 Kp=11.9605，Ti=0.586，Td=0.1465，校正后的单位阶跃响应曲线如 图5-3 所示，测出动态性能指标为：tr=0.294s，tp=0.82s，ts=4.97s，Mp=55.9%。图 5-3 闭环控制系统
7、阶跃响应曲线【范例 5-2】已知工程控制系统的被控广义对象为一个带延迟的惯性环节，其传递函数为：G0（s）= e-180s试分别用 P、PI、PID 三种控制器校正系统，并分别整定参数，比较三种控制器作用效果。【解】 1）根据反应曲线法整定参数由传递函数可知系统的特性参数：K=8，T=360s，L=180s，可得：P 控制器 ： Kp=0.25PI 控制器 ： Kp=0.225，Ti=594sPID 控制器： Kp=0.3，Ti=360s，Td=90s。2） 作出校正后系统的单位阶跃响应曲线，比较三种控制器作用效果。专心-专注-专业因为对于具有时滞对象的系统，不能采用 feedback 和 s
8、tep 等函数进行反馈连接来组成闭环 系统和计算闭环系统阶跃响应，因此采用 simulink 软件仿真得出单位响应曲线，系统结构 图如图 5-4 所示。由于本系统滞后时间较长，故仿真时间设置为 3000s，三种控制器分别 校正后系统的单位阶跃响应曲线如图 5-5 所示。图 5-4 系统 Simulink 结构图图 5-5 校正后系统的单位阶跃响应曲线测量其动态性能指标可得： 只有 P 控制器：超调量 Mp= 42.86%，峰值时间 tp=482s，调节时间 ts=1600s ，存在稳 态误差 ess=1-0.665=0.335。 只有 PI 控制器：超调量 Mp= 17.8%，峰值时间 tp=
9、 540s，调节时间 ts=1960s，ess=0。 只有 P 控制器：超调量 Mp=32.6%，峰值时间 tp=422s，调节时间 ts=1420s，ess=0 。【分析】比较三条响应曲线可以看出：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 控制器却能消除静 差，而且超调量小些。PID 控制器校正后系统响应速度最快，但超调量最大。（1） Ziegler-Niehols临界比例度法临界比例度法适用于已知对象传递函数的场合，用系统的等幅振荡曲线来整定控制器 的参数。先使系统（闭环）只受纯比例作用，将积分时间调到
10、最大，微分时间调到最 小（Td=0），而将比例增益 K 的值调到较小值，然后逐渐增大 K 值，直到系统出现等 幅振荡的临界稳定状态，此时比例增益的 K 作为临界比例 Km，等幅振荡周期为临界周期 Tm，临界比例度为 k= x100%。根据表 6-5 中的经验值课整定 PID 控制器的参数。表 5-5 临界比例度法 PID 控制器参数整定控制器类型KpTiTdP0.5Km0PI0.45KmTm/120PID0.6Km0.5Tm0.125Tm【范例 5-3】 已知被控对象传递函数为 G(s)= ，试用临界比例度法整定 PID 控制器参数，绘制系统的单位响应曲线，并与反应曲线法比较。【解】1）先求出
11、控制对象的等幅振荡曲线，确定 Km 和 Tm。 k=10;z=;p=-1,-3,-5;Go=zpk(z,p,k);G=tf(Go);for Km=0:0.1:10000Gc=Km;syso=feedback(Gc*G,1);p=roots(syso.den1);pr=real(p);prm=max(pr);pro=find(prm=-0.001);n=length(pro);if n=1breakend;endstep(syso,0:0.001:3);Km Km = 19.2000图 5-6 控制系统等副振荡曲线程序运行后可得 Km=19.2，临界稳定状态的等幅振荡曲线如图 5-6 所示。从图
12、中测得两峰值之间的间隔周期即为临界周期 Tm=2.07-0.757=1.313s2）整定 Kp、Ti 、Td，并分析结果。 k=10;z=;p=-1,-3,-5;Go=zpk(z,p,k);G=tf(Go);Km=19.2;Tm=1.313;Kp=0.6*Km;Ti=0.5*Tm;Td=0.125*Tm;Kp,Ti,Td,s=tf(s);Gc=Kp*(1+1/(Ti*s)+Td*s);sys=feedback(Gc*G,1);step(sys)Kp =11.5200 Ti =0.6565Td =0. 1641程序运行后可得到 Kp=11.5200，Ti=0.6565，Td=0.1641PID
13、控制器校正后响应曲线如图 5-7 所示，可测出系统动态性能参数，tr=0.302s，tp=0.793s， ts=3.51s，Mp=47.1%。图 5-7 PID 控制器校正后响应曲线【分析】与反应曲线相比较，两种整定法得到的闭环系统的超调量较大，但临界比例 度法得到的系统调节时间有缩短。临界比例度法要求系统在3阶或3阶以上，且允许进行 等幅振荡的工作状态。（2） 衰减曲线整定法衰减曲线整定法根据衰减特性整定控制器参数。先在纯比例控制作用下调整比例度，获得 闭环系统在衰减比为4：1的比例度 s，和上升时间 tr，然后根据表5-3确定PID控制器参 数。衰减曲线整定法对生产过程的影响较小，被广泛采
14、用。表 5-3衰减曲线整定控制器参数控制器类型sTiTdPs0PI1.2s2tr0PID0.8s1.2tr0.4tr【自我实践 5-1】控制系统仍为【范例5-3】中的，试用衰减曲线法整定 PID 参数，并比较。【提示】使用 Simulink 软件仿真观察系统响应曲线，先在纯比例控制作用下调整比例 度，比例度选用 Solid Gain 模块，拖拽滑块，观察系统响应曲线，当其（第一峰值）：（第 二峰值）=4：1 时，记录此时的比例度，然后选择控制器类型整定参数，比较控制效果。在（第一峰值）：（第二峰值）=4：1 时，读得 Kp=8，则 s =1/Kp=1/8。tr=0.65s。在调节过程中，当比例
15、小于 4：1 时，应该把 Kp 减小；反之增大 Kp【自我实践 5-2】已知单位负反馈系统的开环传递函数为 G（S）= ，设计一个 PID 控制器（采用 Ziegler-Niehols 整定法确定 PID 控制器的 Kp、Ti 、Td 的值），并求出系统的单位阶跃响应曲线，记录动态性能参数：Mp，tr，tp 和 ts。然后再对参数 Kp、Ti 、Td 进行精细调整，使得单位阶跃响应中的最大超调量 Mp 为 15%。2. 实验数据记录将实验数据记录在表 5-4 中，然后比较分析，作出结论。衰减曲线法：此衰减曲线法得到的数据如下表中3. 拓展与思考1）比较 P、PI 和 PID 三种控制器对系统的
16、校正效果，总结它们的优缺点及应用场合。P 控制器对系统的校正效果：Kp 越大，系统的稳态性能越好，但是不能消除静差；PI 控制器对系统的校正效果：由 PI 调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，却是 以对快速性的限制来换取系统稳定的；PID 控制器对系统的校正效果：用 PID 调节器实现的滞后超前校正则兼有二者的优 点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。应用场合：一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性的要求可以 差一些，所以主要采用 PI 调节器；在随动系统中，快速性是主要要求，须用 PID 调节器。2）如何动态地改进 PID 参数的整定？增大比例系数 Kp，一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过 大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏；增大积分时间 Ti，有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除 将随之减慢；大微分时间 Td，亦有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动 的预制能力减弱，对扰动有较敏感的响应；另外，过大的微分系数也将使系统的稳定性变坏。