单回路自动调节系统的整定

实验三 单回路自动调节系统的整定

一、实验目的

a) 熟悉单回路调节系统的整定方法； b) 了解调节器参数对调节过程的影响。

二、实验内容

对下列调节系统进行仿真，先根据调节对象估算出调节器各参数（δ、Ti、Td）的值，再观察各参数值的变化对调节过程的影响。

X(S)+-PID1(T0S?1)nY(S)

调节对象的参数可自行选取，例如可选T0=10，n= 4或5。

进行仿真实验，当需要显示多条仿真曲线时可采用如下所示的仿真框图：

其中，PID模块可以从Simulink Extras |Additional Linear图形子库中提取。该模块传递函数

I11GPID(S)?P＋?DS?(1??TdS)

S?TiS或者我们自己可以构建这个功能模块，如下所示：

单回路调节系统的整定方法主要有临界比例带法、图表整定法和衰减曲线法等，下面介绍其中两种，可任选其中一种方法进行实验。

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1．临界比例带法

临界比例带法是在纯比例作用下将系统投入闭环运行，不断改变比例带δ的数值使调节系统产生等幅振荡，并记录对应的临界比例带δc和临界振荡周期Tc。然后根据δc和Tc得到系统所希望的衰减率时的其它整定参数。具体整定步骤如下：

（1）设置调节器整定参数Ti→∞，Td=0，δ置于较大的数值后，将系统投入闭环运行。 （2）系统运行稳定后，适量减小比例带的数值并施加阶跃扰动，观察被调量的变化，直到出现等幅振荡为止。记录此时的临界比例带δc和临界振荡周期Tc。

（3）根据临界比例带δc和临界振荡周期Tc，调节器中的整定参数可按下式计算：

（i） （ii） （iii）

P调节器：δ＝2δc ；

PI调节器：δ＝2.2δc，Ti＝0.85Tc ；

PID调节器：δ＝1.67δc，Ti＝0.5Tc ；Td＝0.25Ti 。

所列的计算公式是按衰减率ψ=0.75时为依据的。根据调节系统采用不同的调节器类型，选用不同的计算公式，求出整定参数。

（4）将计算出的各整定参数值设置到调节器中，对系统作阶跃扰动试验，观察被调量的阶跃响应，适当修改各整定参数，直到满意为止。 2．图表整定法

图表整定法是通过被调对象阶跃响应曲线的特征参数，经查图表求取调节器各整定参数的。它适用于典型的多容热工被调对象，图表见附表1和附表2。

采用图表整定法首先对被调对象作阶跃扰动试验，记录阶跃响应曲线，求取阶跃响应曲线上的特征参数：自平衡率ρ、飞升速度ε、迟延时间τ和时间常数Tc,然后通过附表1或附表2的计算公式计算调节器的各整定参数。表中的计算公式是依据衰减率ψ=0.75制定的，若需要得到其它衰减率数值，计算公式要进行修正。表中的计算公式适用于阶数较高的被调对象，对于一阶和二阶的被调对象，计算得到整定参数投入运行后将具有较大的衰减率（ψ＞0.75）。

三、实验结果

（1）根据整定法求得

P调节器：δ= 0.5

PI调节器：δ= 0.55 ； Ti = 82.45

PID调节器：δ= 0.4175 ； Ti = 48.5 Td = 12.125 利用计算得到的调节器参数进行仿真

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仿真曲线（P、PI、PID对应的三条曲线）：

性能指标：

P调节器：衰减率 ψ=（M1-M3）/M1=(0.971-0.762)/（0.971-0.667）=0.685 超调量 Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=(0.971-0.667)/0.667=0.456 动态偏差Emax=0.971-1=-0.029 静态偏差E∝=0.667-1=0.333 峰值时间tp=65s, 调节时间ts=257s

PI调节器：衰减率 ψ=（M1-M3）/M1=(1.261-1.084)/（1.26-1）=0.677 超调量 Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=(1.261-1)/1=0.261 动态偏差Emax=1.261-1=-0.261 静态偏差E∝=1-1=0

峰值时间tp=82s, 调节时间ts=285s

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PID调节器：衰减率 ψ=（M1-M3）/M1=(1.352-1.072)/（1.352-1）=0.795

超调量 Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=(1.352-1)/1=0.352 动态偏差Emax=1.352-1=0.352 静态偏差E∝=1-1=1

峰值时间tp=79s, 调节时间ts=210s

（2）改变PID调节器参数进行仿真

（i）保持Ti 、Td不变，改变δ ： 1/Δ=2, 1/ δ=2.4, 1/δ=4

仿真曲线（至少三条）：

（ii）保持δ、Td不变，改变Ti ： 1/Ti1=2; 1/Ti2=2.4; 1/Ti3=4

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仿真曲线（至少三条）：

（iv）

保持δ、Ti不变，改变Td ：

Td1=5, Td2=12.125, Td3=25

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