1、試驗1 閉環把握系統仿真試驗PID把握算法仿真一、試驗目的1把握PID把握規律及把握器實現。2把握用Simulink建立PID把握器及構建系統模型與仿真方法。二、試驗設備計算機、MATLAB軟件三、試驗原理在模擬把握系統中，把握器中最常用的把握規律是PID把握。PID把握器是一種線性把握器，它依據給定值與實際輸出值構成把握偏差。PID把握規律寫成傳遞函數的形式為 式中，為比例系數；為積分系數；為微分系數；為積分時間常數；為微分時間常數；簡潔來說，PID把握各校正環節的作用如下：（1）比例環節：成比例地反映把握系統的偏差信號，偏差一旦產生，把握器馬上產生把握作用，以削減偏差。（2）積分環節：主要

2、用于消退靜差，提高系統的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數，越大，積分作用越弱，反之則越強。（3）微分環節：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，削減調整時間。四、試驗過程1、在MATLAB命令窗口中輸入“simulink”進入仿真界面。2、構建PID把握器：（1）新建Simulink模型窗口（選擇“File/New/Model”）,在Simulink Library Browser中將需要的模塊拖動到新建的窗口中，依據PID把握器的傳遞函數構建出如下模型：各模塊如下： Math Operations模

3、塊庫中的Gain模塊，它是增益。拖到模型窗口中后，雙擊模塊，在彈出的對話框中將Gain分別改為Kp、Ki、Kd，表示這三個增益系數。 Continuous模塊庫中的Integrator模塊，它是積分模塊；Derivative模塊，它是微分模塊。 Math Operations模塊庫中的Add模塊，它是加法模塊，默認是兩個輸入相加，雙擊該模塊，將List of Signs框中的兩個加號（+）后輸入一個加號（+），這樣就改為了三個加號，用來表示三個信號的疊加。 Ports & Subsystems模塊庫中的In1模塊（輸入端口模塊）和Out1模塊（輸出端口模塊）。（2）將上述結構圖封裝成P

4、ID把握器。 創建子系統。選中上述結構圖后再選擇模型窗口菜單“Edit/Creat Subsystem” 封裝。選中上述子系統模塊，再選擇模型窗口菜單“Edit/Mask Subsystem” 依據需要，在封裝編輯器對話框中進行一些封裝設置，包括設置封裝文本、對話框、圖標等。本次試驗主要需進行以下幾項設置：Icon（圖標）項：“Drawing commands”編輯框中輸入“disp(PID)”，如下上圖示：Parameters(參數)項：創建Kp,Ki,Kd三個參數，如下圖示： 至此，PID把握器便構建完成，它可以像Simulink自帶的那些模塊一樣，進行拖拉，或用于創建其它系統。3、搭建一

5、單回路系統結構框圖如下圖所示：所需模塊及設置：Sources模塊庫中Step模塊；Sinks模塊庫中的Scope模塊；Commonly Used Blocks模塊庫中的Mux模塊；Continuous模塊庫中的Zero-Pole模塊。Step模塊和Zero-Pole模塊設置如下： 4、構建好一個系統模型后，就可以運行，觀看仿真結果。運行一個仿真的完整過程分成三個步驟：設置仿真參數、啟動仿真和仿真結果分析。選擇菜單“Simulation/Confiuration Parameters”，可設置仿真時間與算法等參數，如下圖示：其中默認算法是ode45（四/五階龍格-庫塔法），適用于大多數連續或離散

6、系統。5、雙擊PID模塊，在彈出的對話框中可設置PID把握器的參數Kp,Ki,Kd：設置好參數后，單擊“Simulation/Start”運行仿真，雙擊Scope示波器觀看輸出結果，并進行仿真結果分析。比較以下參數的結果：（1）Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4 （2）Kp=6.7,Ki=2,Kd=2.5 （3）Kp=4.2,Ki=1.8,Kd=1.76、以Kp=8.5,Ki=5.3,Kd=3.4這組數據為基礎，轉變其中一個參數，固定其余兩個，以此來分別爭辯Kp,Ki,Kd的作用。7、分析不同調整器下該系統的階躍響應曲線（1）P調整Kp=8 （2）PI調整Kp=5,Ki=2 （3）PD調

7、整Kp=8.5,Kd=2.5 （4）PID調整 Kp=7.5,Ki=5,Kd=3五試驗曲線及數據處理把試驗曲線記錄下來，并分析不同參數下的變化狀況。六.總結1、P把握規律把握準時但不能消退余差，I把握規律能消退余差但把握不準時且一般不單獨使用，D把握規律把握很準時但存在余差且不能單獨使用。2、比例系數越小，過渡過程越平緩，穩態誤差越大；反之，過渡過程振蕩越激烈，穩態誤差越小；若Kp過大，則可能導致發散振蕩。Ti越大，積分作用越弱，過渡過程越平緩，消退穩態誤差越慢；反之，過渡過程振蕩越激烈，消退穩態誤差越快。Td越大，微分作用越強，過渡過程趨于穩定，最大偏差越小；但Td過大，則會增加過渡過程的波

8、動程度。3、P和PID把握器校正后系統響應速度基本相同（調整時間ts近似相等），但是P把握器校正產生較大的穩態誤差，而PI把握器卻能消退余差，而且超調量較小。PID把握器校正后系統響應速度最快，但超調量最大。小學問PID常用口訣: 參數整定找最佳，從小到大挨次查，先是比例后積分，最終再把微分加，曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大，曲線漂移繞大灣，比例度盤往小扳，曲線偏離回復慢，積分時間往下降，曲線波動周期長，積分時間再加長，曲線振蕩頻率快，先把微分降下來，動差大來波動慢，微分時間應加長，抱負曲線兩個波，前高后低4比1。試驗2 離心泵恒流量把握試驗一試驗目的1測定離心泵恒流量把握系統在階躍干擾作用下

9、，離心泵出口流量的過渡過程，利用最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間等參數評價離心泵恒流量把握系統的把握質量。2把握比例度P、積分時間I參數在流量把握系統中的作用和對過渡過程品質指標的影響。二、試驗裝置 過程設備與把握多功能試驗臺三、試驗原理離心泵恒流量把握系統圖如圖1所示，把握過程如圖2所示。圖1離心泵恒流量把握系統圖 圖2離心泵恒流量把握過程離心泵恒流量把握系統為單回路簡潔把握系統，安裝在離心泵出口管路上渦輪番量傳感器TT將離心泵出口流量轉換成脈沖信號，其脈沖頻率經頻率/電壓轉換器轉換成電壓信號后輸出至流量調整器TC，TC將流量信號與流量給定值比較后，按PID調整規律輸出420mA信

10、號，驅動電動調整閥轉變調整閥的開度，達到恒定離心泵出口流量的目的。離心泵恒流量把握系統方框圖如圖3所示。把握參數如下：1 控變量y：離心泵出口流量Q。2 定值(或設定值)ys：對應于被控變量所需保持的工藝參數值，在本試驗中取1.5 L/s。3 測量值ym：由傳感器檢測到的被控變量的實際值，在本試驗中為離心泵出口流量值Q。4 操縱變量(或把握變量)：實現把握作用的變量，在本試驗中為離心泵出口流量。使用電動調整閥作為執行器對離心泵出口流量進行把握。電動調整閥的輸入信號范圍：420mA；輸出：閥門開度0-16mm。5 干擾(或外界擾動)f：干擾來自于外界因素，將引起被控變量偏離給定值。在本試驗中接受

11、突然轉變離心泵轉速的方法，轉變離心泵出口壓力，人為模擬外界擾動給把握變量造成干擾。6偏差信號e 被控變量的實際值與給定值之差， e=ys-ym。ym-離心泵出口流量值Q。ys-離心泵出口流量設定值。7把握信號u 工業調整器將偏差按肯定規律計算得到的量。離心泵恒流量把握系統接受比例積分把握規律(P1D)對離心泵流量進行把握。比例積分把握規律是比例與積分兩種把握規律的組合， 抱負的PID調整規律的數學表達式為：圖3 離心泵恒流量把握系統方框圖假定在時間t=0之前，系統穩定，且被調參數-離心泵的出口流量Q等于設定值。若在t=0時刻，外加壓力階躍干擾，離心泵出口壓力開頭變化并按衰減振蕩的規律經過一段時

12、間后，離心泵出口流量漸漸趨于穩定。完成了一次過渡過程。 四、試驗步驟1. 將流量表設定值設為：SV=2.0 L/s，P=300，I=4； 2.開動冷水泵，關閉出口截止閥或出口球閥3.調整壓力調整旋鈕，使壓力表顯示值為0.45Mpa； 4.調整流量調整旋鈕，使流量表顯示值為2.0 L/s；5.按下流量表下的自動按鈕；當流量穩定后，鼠標點擊清空數據庫，鼠標點擊記錄數據，開頭記錄數據；6.調整壓力調整旋鈕使壓力轉變0.05Mpa左右，造成人為干擾，觀看流量恢復過程；7.退出組態王，運行數據處理程序，觀看溫度變化曲線。五、計算過渡過程質量指標1最大偏差A：被調參數的最大值。 2余差 ：當過渡過程終了時

13、，被調參數所達到的新的穩態值與給定值之差。3衰減比n：過渡過程曲線上同方向的相鄰兩個波峰之比，一般n取410之間為宜。4振蕩周期：過渡過程同向兩波峰(或波谷)之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，在衰減比相同的狀況下，周期與過渡時間成正比，一般期望振蕩周期短一些為好。5過度時間ts：從干擾作用發生的時刻起，直到系統重新建立新的平衡時止，過渡過程所經受的時間。六、要求1寫出試驗報告。2回答思考題。思考題1 離心泵恒流量把握系統在壓力階躍干擾作用下，比例度P的大小對過渡過程會產生什么影響？2 離心泵恒流量把握系統在階躍壓力干擾作用下，積分常數I的大小對過渡過程會產生什么影響？歡迎下載中北高校機械工程

14、與自動化學院試驗報告課程名稱 過程裝備把握技術及應用 學號 1302054140 同學姓名 姜樹林 輔導老師 劉廣璞 系別過程裝備與把握工程試驗室名稱試驗時間1試驗名稱離心泵恒流量把握試驗2. 試驗目的（1）測定離心泵恒流量把握系統在階躍干擾作用下，離心泵出口流量的過渡過程，利用最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間等參數評價離心泵恒流量把握系統的把握質量。（2）把握比例度P、積分時間I參數在流量把握系統中的作用和對過渡過程品質指標的影響。3. 試驗內容 在PID把握規律下，在相同干擾作用下，分別轉變比例度、積分時間和微分時間的值對過渡過程的影響。4. 試驗原理離心泵恒流量把握系統圖如圖1

15、所示，把握過程如圖2所示。圖1離心泵恒流量把握系統圖 圖2離心泵恒流量把握過程離心泵恒流量把握系統為單回路簡潔把握系統，安裝在離心泵出口管路上渦輪番量傳感器TT將離心泵出口流量轉換成脈沖信號，其脈沖頻率經頻率/電壓轉換器轉換成電壓信號后輸出至流量調整器TC，TC將流量信號與流量給定值比較后，按PID調整規律輸出420mA信號，驅動電動調整閥轉變調整閥的開度，達到恒定離心泵出口流量的目的。離心泵恒流量把握系統方框圖如圖3所示。把握參數如下：（1）控變量y：離心泵出口流量Q。（2）定值(或設定值)ys：對應于被控變量所需保持的工藝參數值，在本試驗中取1.5 L/s。（3）測量值ym：由傳感器檢測到

16、的被控變量的實際值，在本試驗中為離心泵出口流量值Q。（4）操縱變量(或把握變量)：實現把握作用的變量，在本試驗中為離心泵出口流量。使用電動調整閥作為執行器對離心泵出口流量進行把握。電動調整閥的輸入信號范圍：420mA；輸出：閥門開度0-16mm。（5）干擾(或外界擾動)f：干擾來自于外界因素，將引起被控變量偏離給定值。在本試驗中接受突然轉變離心泵轉速的方法，轉變離心泵出口壓力，人為模擬外界擾動給把握變量造成干擾。（6）偏差信號e 被控變量的實際值與給定值之差， e=ys-ym。ym-離心泵出口流量值Q。ys-離心泵出口流量設定值。（7）把握信號u 工業調整器將偏差按肯定規律計算得到的量。離心泵

17、恒流量把握系統接受比例積分把握規律(P1D)對離心泵流量進行把握。比例積分把握規律是比例與積分兩種把握規律的組合， 抱負的PID調整規律的數學表達式為：圖3 離心泵恒流量把握系統方框圖假定在時間t=0之前，系統穩定，且被調參數-離心泵的出口流量Q等于設定值。若在t=0時刻，外加壓力階躍干擾，離心泵出口壓力開頭變化并按衰減振蕩的規律經過一段時間后，離心泵出口流量漸漸趨于穩定。完成了一次過渡過程。 5. 試驗過程及步驟（1）將流量表設定值設為：SV=2.0 L/s，P=300，I=4； （2）開動冷水泵，關閉出口截止閥或出口球閥（3）調整壓力調整旋鈕，使壓力表顯示值為0.45Mpa； （4）調整流

18、量調整旋鈕，使流量表顯示值為2.0 L/s；（5）按下流量表下的自動按鈕；當流量穩定后，鼠標點擊清空數據庫，鼠標點擊記錄數據，開頭記錄數據；（6）調整壓力調整旋鈕使壓力轉變0.05Mpa左右，造成人為干擾，觀看流量恢復過程；（7）退出組態王，運行數據處理程序，觀看溫度變化曲線。6試驗結論及心得（1）轉變P的值，過渡過程如下圖：圖4 P=30 I=5 D=0 圖5 P=40 I=5 D=0 圖6 P=50 I=5 D=0圖7 P=70 I=5 D=0（2）轉變I的值，過渡過程結果下圖所示 圖8 P=50 I=7 D=0 圖9 P=50 I=9 D=0 圖10 P=50 I=14 D=0（3）結果分析：從（1）中可以看出P（比例度）越大，比例作用越弱，調整器的輸出越小，被控變量偏離給定值越大，過渡過程所花的時間越長；反之，比例度越小，最大偏差越小，振