单回路控制系统整定

单一、实验目的

回路控制系统整定

（1） 掌握动态建模的创建方法。

（2） 掌握单回路控制系统的理论整定方法和工程整定方法。 （3） 了解调节器参数对控制品质的影响。 （4） .熟悉控制线性系统仿真常用基本模块的用法 二、实验仪器

计算机一台、MATLAB软件 三、实验内容：

用SIMULINK建立被控对象的传递函数为G(x)?1?10s?1?4，系统输入为单位阶跃，

采用PID控制器进行闭环调节。

①练习模块、连线的操作，并将仿真时间定为300 秒，其余用缺省值； ②试用稳定边界法和衰减曲线法设置出合适的PID参数，得出满意的响应曲线。 ③设计M文件在一个窗口中绘制出系统输入和输出的曲线，并加图解。 四、实验原理

. PID（比例-积分-微分）控制器是目前在实际工程中应用最为广泛的一种控制策略。PID算法简单实用，不要求受控对象的精确数学模型。 ．模拟PID控制器

典型的PID控制结构如图所示。

r(t) PID控制器 比 例 积 分 微 分 . PID控制规律写成传递函数的形式为 e(t) u(t) 对象模型 y(t) 式中，KP为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数；Ti?KpKi为积分时间常数；

Td?Kd为微分时间常数；简单来说，PID控制各校正环节的作用如下： Kp（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Ti，Ti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。 五、实验步骤

（1）启动计算机，运行MATLAB应用程序。 （2）在MATLAB命令窗口输入Smulink,启动Simulink。

（3）在Simulink库浏览窗口中，单击工具栏中的新建窗口快捷按钮或在Simulink库窗口中选择菜单命令File?New?Modeel,打开一个标题为“Untitled”的空白模型编辑窗口。

（4）用鼠标双击信号源模块库（Source）图标，打开信号源模块库，将光标移动到阶跃信号模块（Step）的图标上，按住鼠标左键，将其拖放到空白模型编辑窗口中。用鼠标双击附加模块库（Simulink Extra）图标，打开Additional Liner模块库，将光标移动到PID Conttroller图标上，按住鼠标左键，将其拖放到空白模型编辑窗口中。 （5用同样的方法从数学运算模块库(Math Operations)、连续系统模块库(Continuous)和接受模块库(Sinks)中，中把传递函数模块(Transfer Fcn)、示波器模块(Scope)和加法器模块（）Sum）拖放到空白模型编辑窗口中。

（6）用鼠标单击一个模块的输出端口并用鼠标拖放到另一模块的输入端口，完成模块间的连接，若需要画支线时，把光标移到有向线段任意点处，按下“Ctrl”键同时按下鼠标左键，拖动鼠标到所需模块。

（7）构造图1所示的单回路反馈系统的仿真模型，其中控制对象由子系统创建，如

图2

图1 图2

示，创建子系统的方法是：用鼠标选定待构成子系统的各个模块，包括它们之间的连接线，单击鼠标右键再单击Create Subsystem即可。 （8）设调节器为比例调节器，对象传递函数为：

K0(其中K0?1,T0?10,n?4)，用

(1?T0s)n广义频率特性法按衰减率0.75 计算调节器的参数；根据 计算结果设置PID调节器的参数，启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。 （9）用响应曲线法整定调节器的参数。 ①求出对象的阶跃响应曲线。

②根据响应曲线求取对象的动态特性参数。

③按表1计算调节器的参数，并根据计算结果设置PID调节器的参数。 ④启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。 （10）用临界曲线法整定调节器参数。

①先将调节器改成纯比例作用（使Ti??,Td?0），并将比例增益置于较小的数值，然后将系统投入闭环运行。启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。逐渐增加比例增益，观测不同比例增益下的调节过程，直到调节过程出现等幅振荡为止，记录此时的比例带 ?k 和系统的临界振荡周期 Tk。 ②根据求得的?k和Tk，由表2可求得调节器的整定参数。

③将调节器参数设置好，作系统的定值阶跃扰动试验，观测控制过程，并根据响应曲线适当修改整定参数。

（11）用衰减曲线法整定调节器参数。

①先将调节器改成纯比例作用Ti??,Td?0，并将比例增益置于较小的数值，然后将系统投入闭环运行。启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。逐

渐增加比例增益，观测不同比例②增益下的调节过程，直到调节过程出现衰减率为0.75的振荡为止，记录此时的比例带?s和系统的临界振荡周期Ts。 由表3可求得调节器的整定参数。

将调节器参数设置好，作系统的定值阶跃扰动试验，观测控制过程，适当修改整定参数，直到控制过程满意为止。 表4-3 临界曲线法整定参数计算表 控制规律 调节器参数 P 2?k PI 2.2?k 0.85Tk PID 1.67?k 0.5Tk 表4-4 衰减曲线法整定参数计算表 控制规律 调节器参数 P 2?s PI 1.2?s 0.5Ts PID 0.8?s 0.3Ts 0.1Ts 六、实验曲线及数据处理、， 1）临界曲线法

将调节器改成纯比例积分，即Ki=0，Kd=0。调整Kp到出现等幅震荡，此时KP?4。图3。

图3 由图可知?1k=

K=0.25，Tk?66s p又由临界曲线法整定参数计算表及以下公式关系

如