《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100~400mm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：① 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②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③ 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：① 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② 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③ 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① 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σ％=（230.5-157.16）/157.16×100％=46.67％调节时间ts=3.26min（Δ=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σ％=0调节时间ts=4.95min（Δ=0.05）峰值时间tp=1.4073min稳态误差E（∞）=0② 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σ％=（263.627-167.886）/167.886×100％=57.03％调节时间ts=4.04min（Δ=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σ％=（362.067-300）/300×100％=20.69％调节时间ts=3.01min（Δ=0.05）峰值时间tp=1.4569min稳态误差E（∞）=0③ 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σ％=（151.076-123.11）/123.11×100％=22.72％调节时间ts=1.80min（Δ=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σ％=（410-300）/300×100％=36.67％调节时间ts=3.99min（Δ=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① 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（Δ=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（Δ=0.05） 稳态误差E（∞）=0② 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 （Δ=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（Δ=0.05） 稳态误差E（∞）=0③ 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（Δ=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（Δ=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）σ％ts(min)tp(min)E（∞）（mm）。