精选资料PID参数整定实验 李维涛.docx
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精选资料PID参数整定实验李维涛
PID参数整定实验
在过程控制中,PID控制器(PID调节器)一直是应用最为广泛的一种自动控制器。
在模拟过程控制中,PID控制算式为:
u(t)=Kp{
}+u0
几个重要PID参数对系统控制过程的影响趋势:
①增大比例系数P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,但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调,并产生振荡,使稳定性变坏。
②增大积分时间I有利于减小超调,减小振荡,使系统的稳定性增加,但是系统静差消除时间变长。
③增大微分时间D有利于加快系统的响应速度,使系统超调量减小,稳定性增加,但系统对扰动的抑制能力减弱。
一般PID整定方法有以下几种:
一.实验试凑法
所谓实验凑试法是通过闭环运行或模拟,观察系统的响应曲线,然后根据各参数对系统的影响,反复凑试参数,直至出现满意的响应,从而确定PID控制参数。
试凑法是工程控制中常用且重要的方法。
在凑试时,可参考以上参数对系统控制过程的影响趋势,对参数调整实行先比例、后积分,再微分的整定步骤。
(1)整定比例控制将比例控制作用由小变到大,观察各次响应,直至得到反应快、超调小的响应曲线。
(2)整定积分环节若在比例控制下稳态误差不能满足要求,需加入积分控制。
先将步骤
(1)中选择的比例系数减小为原来的50~80%,再将积分时间置一个较大值,观测响应曲线。
然后减小积分时间,加大积分作用,并相应调整比例系数,反复试凑至得到较满意的响应,确定比例和积分的参数。
(3)整定微分环节若经过步骤
(2),PI控制只能消除稳态误差,而动态过程不能令人满意,则应加入微分控制,构成PID控制。
先置微分时间Td=0,逐渐加大Td,同时相应地改变比例系数和积分时间,反复试凑至获得满意的控制效果和PID控制参数。
二.Z—N法
Z-N法又叫做临界比例度法,是目前使用较广的一种整定参数方法。
实验步骤:
1)把调节器的积分环节和微分环节断开,比例度置较大数值,把系统投入闭环运行,然后将调节器比例度Kp由大逐渐减小,得到临界振荡过程。
这时候的比例度叫做临界比例度Kpcnt,振荡的两个波峰之间的时间即为临界振荡周期Tn.
2)根据Kpcnt和Tn的值,运用表1中的经验公式,计算出调节器各个参数Kp、Ti和Td的值。
3)根据计算结果设置调节器的参数值。
运行之后,即可得到响应曲线。
控制器
Kp
Ti
Td
P
0.5Kpcnt
----
----
PI
0.45Kpcnt
0.85Tn
----
PID
0.6Kpcnt
0.5Tn
0.12Tn
表1
三.C—C法
C-C法也叫做动态特性参数法,就是根据系统开环广义过程(包括Wv(s).被控对象Wo(s)和测量变送Wm(s)阶跃响应特性进行近似计算的方法
在调节阀Wv(s)的输入端加一阶跃信号,记录测量变送器Wm(s)的输出响应曲线,根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数(τ----过程的滞后时间,T----过程的时间常数,K----平衡终值)。
然后根据这些参数的数值,分别应用表2相应公式计算出调节器的整定参数值
控制器
Kp
Ti
Td
P
T0/2(K0τ)
----
----
PI
0.9T0/2(K0τ)
3τ
----
PID
1.2T0/2(K0τ)
2τ
0.5τ
表2
下面以一阶(Gps=
)、二阶(Gps=
)和三阶(Gps=
)控制对象说明,分别在P、PI和PID三种控制器作用下的不同。
1.P控制器
1.控制对象为Gps=
时:
1.试凑法根据上文讲到的由小到大,两边夹近的方法确定Kp=2.9。
2.Z—N法由上文所讲方法,断开微分积分环节,调节比例度Kpcnt=5.39346,使其得到如图1所示响应曲线:
图1
求得Tn=3.65。
由表1经验式可得Kp=3.24。
③.C—C法由于是一阶控制对象,直接可知,K0=1,T0=3,τ=1。
由表2经验式并微调可得Kp=3。
以上三种方法所得曲线,如图2所示:
C—C法
试凑法
Z—N法
图2
2.控制对象为Gps=
时:
1.试凑法根据上文的方法,逐步试凑,得到可观曲线。
此时Kp=1.6。
2.Z—N法同理上文,调节比例控制器,使曲线达到等幅震荡,如图3所示,此时Kpcnt=3.7656。
.图3
由图求得Tn=5.55。
根据表1经验式,可得Kp=1.88。
③.C—C法由上述所讲,给控制对象加一单位阶跃信号,示波器中显示曲线如图4所示:
图4
由图求得τ=1.5T0=4.2K0=1.根据表2经验式可知Kp=1.4。
以上三种方法所得曲线如图5所示:
C—C法
试凑法
Z—N法
图5
⑶.控制对象为Gps=
时:
①.试凑法同上所述,得到Kp=1.1
②.Z--N法同上所述,得到等幅震荡曲线如图6所示,此时Kpcnt=2.4978。
图6
由上图求得Tn=6.87。
根据表1经验式可知Kp=1.2。
③.C—C法同上所述在示波器中得到单位阶跃信号如图7所示
图7
由上图求得τ=1.73Tn=3.798K0=1,由表2经验式可知,Kp=1.09。
以上三种方法所得曲线如图8所示:
图8
C—C法
试凑法
Z—N法
2.PI控制器
⑴.被控对象为Gps=
时:
①.试凑法如前所述,改变比例和积分环节,可以影响曲线的超调量,Kp和Ti作用相反。
试凑可得,Kp=2.1,Ti=3.7。
②.Z—N法根据⑴中的数据,由表1经验式可得,Kp=2.5,Ti=4.6。
③.C—C法根据⑴中的数据,由表2检验式可得,Kp=1.4,Ti=3。
以上三种方法所得曲线如图9所示:
C—C法
试凑法
Z—N法
图9
⑵.被控对象为Gps=
时:
①.试凑法如前所述,经试凑得,Kp=1.5,Ti=4.3。
②.Z—N法如前所述,根据⑴中所得数据,由表1经验式可得,Kp=1.7,Ti=4.7。
③.C—C法如前所述,根据⑴中所得数据,由表2经验式可得,Kp=1.3,Ti=4.5。
以上三种方法所得曲线如图10所示:
C—C法
试凑法
Z—N法
图10
⑶.被控对象为Gps=
时:
①.试凑法如前所述,经试凑可得,Kp=1.2,Ti=5。
②.Z—N法如前所述,根据⑴中所得数据,由表1经验式可得,Kp=1.4,Ti=5.86。
③.C—C法如前所述,根据⑴中所得数据,由表2经验式可得,Kp=1.15,Ti=5.2。
以上三种方法所得曲线如图11所示:
C—C法
试凑法
Z—N法
图11
3.PID控制器
⑴.控制对象为Gps=
时:
①.试凑法如前所述,试凑可得,Kp=3.2,Ti=3.5,Td=0.2。
②.Z—N法根据⑴中的数据,由表1经验式并稍做修改可得,Kp=3.24,Ti=2.8,Td=0.2。
③.C—C法根据⑴中的数据,由表2检验式并稍做修改可得,Kp=3.6,Ti=3.5,Td=0.3。
以上三种方法所得曲线如图12所示:
试凑法
C—C法
Z—N法
图12
⑵.被控对象为Gps=
时:
①.试凑法如前所述,经试凑得,Kp=2.1,Ti=2.7,Td=0.6。
②.Z—N法如前所述,根据⑴中所得数据,由表1经验式并稍做修改可得,Kp=2.26,Ti=2.8,Td=0.6。
③.C—C法如前所述,根据⑴中所得数据,由表2经验式并稍做修改可得,Kp=1.9,Ti=2.7,Td=0.6。
以上三种方法所得曲线如图13所示:
C—C法
试凑法
Z—N法
图13
⑶.被控对象为Gps=
时:
①.试凑法如前所述,经试凑可得,Kp=1.1,Ti=2.5,Td=0.6。
②.Z—N法如前所述,根据⑴中所得数据,由表1经验式可得,Kp=1.5,Ti=3.4,Td=0.82。
③.C—C法如前所述,根据⑴中所得数据,由表2经验式可得,Kp=1.32,Ti=5.2,Td=0.865。
以上三种方法所得曲线如图14所示:
C—C法
试凑法
Z—N法
图14
总结:
反应曲线法是通过系统开环试验,得到被控过程的典型特征参数之后,再对调节器参数进行整定。
因此,这种方法适应性较广,通用性较强。
临界比例度法是闭环试验整定方法。
依赖系统在某种运行状态下特性信息对调节器参数进行整定,其优点是无需掌握被控对象的数学模型。
缺点是对生产过程不能反复做振荡试验。
Z-N法得到的响应曲线超调量比较大,但是反应时间快,调整时间短;C-C法得到的响应曲线超调量比较小,反应较慢;试凑法相对比较适中,但是,试凑过程比较繁琐,而另外两种方法通过经验公式计算,可较快得出参数。
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