基于ZN法的PID校正分析与综合设计1.docx

吐方民族大学实例辍告系（部、中心）电气信息工程学院姓名学号专业自动化班级1班同组人员课程名称控制系统仿真与设计综合实训实训题目名称基于ZN法的PID校正分析与综合设计起止时间成绩指导教师签名题目7基于ZN法的PID校正分析与综合设计一、设计目的1、通过课程设计熟悉温度控制系统的工作原理；2、通过课程设计掌握温度控制系统的分析方法；3、通过课程设计掌握控制器的设计方法；4、通过在实际控制系统中校正设计的运用，理解系统校正在实际工程中的意义。二、设计任务G(三)=-es已知轧钢车间加热炉的传递函数为120s+l,其温度传感器与变C/、0.107G2(三)=送器的传递函数为-IOS+1,试用Ziegler-Nichols整定法计算P、Pl、PID控制器的参数，并进行阶跃响应的仿真。综合实训报告中要求写清楚计算分析的过程，列出MAT1.AB程序和MAT1.AB输出。目录一、摘要1二、相关介绍2三、校正前系统性能分析33.1 校正前系统框图33.2 校正前的matlab仿真曲线3四、校准装置设计44.1 校正框图建立44.2 校正装置参数设置44.3 校正系统的阶跃响应6五、MAr1.AB程序仿真分析95.1 matlab程序设置95.2 matlab仿真曲线分析11六、设计总结及心得体会126.1 设计总结126.2 心得体会13六、参考文献14一、摘要基于MAT1.AB的SIMU1.lNK环境下，设计加热炉传递函数，对加热炉传递函数的Pn）参数进行整定。通过设定不同PlD参数，仿真验证加热炉加热系统的传递函数，并对仿真结果进行分析。Matlab中Simulink环境来进行仿真，pid控制器的参数按照齐格勒-尼科尔斯法进行整定。对PID控制参数调整实行先比例、后积分,再微分的整定步骤。具体步骤为:先给比例较大的值,使之运行,其余的参数为零;逐渐增大比例系数,直到系统出现震荡,记录临界震荡周期T;按照经验公式进行校正,进行仿真实验。对PID的各个参数进行微调，确定系数。关键词：PlD控制;仿真;整定；Simulink;二、相关介绍齐格勒-尼科尔斯法简称为Z-N法则，它有两种实施方法，它们的共同的目标都是使被控制系统的阶跃响应应具有25%的超调量。如图所小图125%的超调量示意图第一种方法是在对象的输入端加一单位阶跃信号，测量其输出响应曲线（S形曲线）。第二种方法是先假设Ti=8,Td=O,只有比例控制Kp。将比例系数KP值由零逐渐增大到系统的输出首次出现持续的等幅振荡。记录Kc,TCo图A-2等幅振荡曲线确定PlD参数调节器类型.蠲嬲整定，Kp小Pd0.508.PI*0.455KPC0.833P>PIIP0.6心0.5Pl0.125÷表A-2PID参数整定表2,三、校正前系统分析G(三)=99产已知轧钢车间加热炉的传递函数为120s+1,其温度传感器C/、0.107G、(三)=与变送器的传递函数为IoS+1。1.1 校正前系统框图Step1.2 校正前的matlab仿真曲线matlab仿真曲线分析：由图看出该响应曲线是一条S形曲线,可用Zigler-Nichols法整定公式计算系统的P、PKPID控制器参数。四、校准装置设置4. 1校正后的系统框图5. 2校正装置参数设置由Z一N法第二法则:先假设Ti=8,Td=O,只有比例控制Kp。将比例系数Kp值由零逐渐增大到系统的输出首次出现持续的等幅振荡。由逐渐逼近法，KP逐渐增大到2.71时，首次出现等幅振荡。ilBlockParameters:PIDControllerXPlDControlleraThisblockimplementscontinuous-anddiscrete-li11ePIDcontrolalgorithmsandincludesadvancedfeaturessueasanti-winduptexternalreset,andsignaltracking.YoucantuncthePIDgainsautomaticallyusingthe,Tune.,button(requiresSinulinkControlDesign).Controller:PIDFora:ParallelTinedomain:CorHinUOUS-IiBeODiscrete-timeCOmDenSaIOrf(>11nulaP+l+DNMainPIDAdvancedDataTypesStateAttributesControllerparametersSource:internalProportional(P):2.71Integral(I):0Derivative(D):0Filtercoefficient(N):0InitialconditionsSource:!internalIntegrator:0Filter:0Externalreset:noneQKICancelHelpNScope×file100lsYieWSimulationHelp卓踮虫至哈ReadyT=1000.000由图知KP增大到2.71时首次出现等幅振荡，故KC=KP=2.71,此时Tc=294此时带入第二法则得出PlD控制器参数.一耽的升城._乎更制黑的大型XPTi】U一P八55£_8OPl入2性、卅SO-ZtP/灰一UHI出:时P/史制霁鱼iHaNpu人3,，IHSWIZZPl控制悭徒总当糕牝少二KpQ+芯）p/。控制找伐这M熟缸S)Uf<tCmNCli就十.即4.3校正系统的阶跃响应由3.1参数设置P、P1.PlD控制器参数回BlockParameters:PIDControllerPIDControllerThisblockimpIenientscontinuous-anddiscrete-timePIDcontrolalgorithmsandincludesadvancedfeaturessueasanti-vindup,externalreset,Hndsignaltracking.YoucantunethePIDgainsautomaticallyusingthe,Tune.'button(requiresSimulinkControlDesign).Controller:IPiDFore:ParalIelTimedomain:Continuous-tineODiscrete-timeMainPIDAdvancedDataTypesStateAttributesControllerparametersSource:internalBCompensHlorIlnnulaProportional(P):1.355Integral(I):Derivative(D):Filtercoefficient(N):0P÷ZDN-1÷N18Tune.InitialconditionsSource:iinternalIntegrator:0Filter:0Externalreset:noneIQK-I_CancelHelpApplyP控制器参数选择一P控制器响应曲线iBlockParameters:PIDControllerPIDControllerThisblockipleentscontinuous-anddiscrete-tinePlDcontrolalgorithmsHndincludesadvancedfeaturessueasanti-windup,externalreset,andsignaltracking.YoucantunethePlDgainsautomaticallyusingthe,Tune.,button(requiresSiaulinkControlDesign).Controller:PlDForm:ParalIelTimedomain:ContinUoUSrimeODiscrete-timeMainPIDAdvancedDataTypesStateAttributesControlIerpar<unetersSource:internalProportiona1(P):1.2195Integral(I):0.00498Derivative(D):0一Filtercoefficient(N):0COmDenSalCrformula1+NInitialconditionsSource:internalIntegrator:0Filter:0Externalreset:none-Pl控制器响应曲线国BlockParameters:PIDControllerPIDControlIerThisblocki8lementscontinuous-anddiscrete-timePIDcontrolalgorithmsandincludesadvancedfeaturessueasanti-windupvexternalreset,andsignaltracking.YoucantunethePIDgainsautomaticallyusingthe,Tune.*button(requiresSiaulinkControlDesign).Controller:PID*For三:ParallelTiBedomain:Continuous-timeODiscreterieeMainPIDAdvancedDataTypesStateAttributesSource:internalTBComIJ-or<j1111u1hProPOrtionaI(P):11.625Integral(1):0.0111VDerivative(D):36.75P÷Z-÷D1÷TVFiltercoefficient(N)100OTune.InitialconditionsSource:internalIntegrator:0Filter:0Externalreset:noneOKICancelHelpPlD控制器参数选择五、MATA1.AB程序仿真分析5.1MAT1.AB程序k=1.0593;T=110;1.=100;nl=k;dl=Tl;Gl=tf(nl,dl);np,dp=pade(1.,2);Gp=tf(np,dp);Gel,Kpl=ziegler(1,k,1.,T,1);GclGc2,Kp2,Ti2=Ziegler(2,k,1.,T,1);Gc2Gc3,Kp3,Ti3,Td3=ziegler(3,k,1.,T,1);Gc3G_cl=feedback(Gl*Gcl,Gp);step(G_cl);holdonG_c2=feedback(Gl*Gc2,Gp);step(G_c2);G_c3=feedback(Gl*Gc3,Gp);step(G_c3);函数定义ziegler0functionGe,Kp,Ti,Td,H=ziegler(key,vars)Ti=;Td=;H=;iflength(vars)=4K=vars(1);1.=vars(2);T=vars(3);N=vars(4);a=K*1.T;ifkey=lKp=la;elseifkey=2Kp=O.9/a;Ti=3.33*1.;elseifkey=3KP=1.2/a;Ti=2*1.;Td=1./2;endelseiflength(vars)=5K=vars(1);Tc=vars(2);N=vars(3);ifkey=lKp=O.5*K;elseifkey=2Kp=O.4*K;Ti=0.8*Tc;elseifkey=3Kp=O.6*K;Ti=0.5*Tc;Td=0.12*Tc;endelseiflength(vars)=5K=vars(1);Tc=vars(2);rb=vars(3);pb=pi*vars(4)/180;N=vars(5);KP=K*rb*cos(pb);ifkey=2Ti=-Tc/(2*pi*tan(pb);elseifkey=3Ti=Tc*(1+sin(pb)/(pi*cos(pb);Td=Ti4;endendswitchkeycase1Gc=Kp;%输出P控制器传递函数case2Gc=tf(Kp*Ti,1,Ti,0);%输出Pl控制器传递函数case3nn=Kp*Ti*Td*(N+l)/N,Kp*(Ti+Td/N),Kp;dd=Ti*TdN,1,0;Gc=tf(nn,dd);%输出PID控制器传递函数end5.2MATA1.AB仿真曲线分析iWFigure1一×文件任)编i(E)杳石(V)届入(1)工具(工)臬面9)三(W)帮助（三）OWia4IAA已34T0口目I口阶跃响应曲线MATA1.AB程序分析：P控制器传递函数Gcl=1.0384Pl控制器传递函数311.2s+0.9346Gc2=333sPID控制器传递函数2.492e04s2+311.5s+1.246Gc3=10000s2+200s六、设计总结及心得体会6.1设计总结基于Matlab的Simulink仿真环境下的pid参数整定法,在Simulink仿真环境下进行PID仿真试验,可以随时修改PID的参数,对系统的运行情况进行同步仿真,减少了在现实中的试验时间,节省了财力和人力的投入,并且极大地缩短了试验周期，对提高产品的过程质量具有相当实际的意义。在控制对象动态特性不能精确确定的过程控制系统中，齐格勒一尼可尔斯法则则被广泛用来调整PID控制器的参数。实践证明这种方法非常实用。首先用解析法求出对象的阶跃响应曲线（S形曲线）或按图A-2求出系统的临界增益KC和振荡周期Tc,然后用表1和表A-2确定PID控制器参数。使系统的超调量在10%60%之间。同时也发现了齐格勒尼可尔斯法则仅是在PID控制器参数调整的一个起点。若要进一步提高系统的动态性能，必须在此基础上对相关参数做进一步调整。6.2心得体会课程设计过程中的收获:首先是更加了解了仿真的重要性与实用性。也更加深入了解了控制理论的重要性，让我们更好了解PID控制器的3个参数的大小直接影响控制效果的好坏,要取得好的控制效果,必须选择合适的控制参数。简单的说,这3个参数就是调节系统的“准”、“快”、“稳”，使系统更好的工作。比例负责调节系统的“稳”，积分负责调节系统的“准”，微分负责调节系统的“快”。其次是通过matlab仿真实验使我学习掌握了许多知识,对matIab有了一个全新的认识，并且对matIab的更多操作和命令的使用有了更高的掌握，最重要的事对matlab的处理能力有了一个更高的飞跃尤其是对相关函数的使用及相关问题的处理。就对matlab相关的命令操作而言，通过这次实验的亲身操作和实践，学习掌握了许多原本不知道的或者不太熟悉的命令。比如说相关m文件的建立，画图用到的标注，配色，坐标控制，同一张图里画几幅不同的图像，相关参数的设置以及相关函数的调用格式等等七、参考文献基于MAT1.AB/SIMU1.INK下加热炉传递函数的PID仿真试验赵春锋,孙兴朋，王东兴（烟台大学机电汽车工程学院，山东烟台264005）