DDC单回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真课程设计报告
课程设计(综合实验)报告
( 2011-- 2012 年度第二学期)
名称：过程计算机控制系统
题目：DDC单回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真院系：控制与计算机工程学院
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：朱耀春
设计周数：一周
成绩：
日期：2012 年 6 月 20 日
一、 课程设计的目的与要求
1.设计目的
在计算机控制系统课程学习的基础上，加强学生的实际动手能力，通过对DDC 直接数字闭环控制的仿真加深对课程内容的理解。
2.设计要求
本次课程设计通过多人合作完成DDC 直接数字闭环控制的仿真设计，学会A/D 、D/A 转换模块的使用。通过手动编写PID 运算式掌握数字PID 控制器的设计与整定的方法，并做出模拟计算机对象飞升特性曲线，熟练掌握DDC 单回路控制程序编制及调试方法。
二、 设计正文
1.设计思想
本课程设计利用Turboc2.1开发环境，通过手动编写C 语言程序完成PID 控制器的设计，A/D 、D/A 转换，绘出PID 阶跃响应曲线与被控对象动态特性曲线。整个设计程序模块包含了PID 配置模块，PLCD-780定时采样、定时输出模块，PID 手/自动切换模块（按键控制）及绘图显示模块。
设计中，通过设定合理的PID 参数，控制PLCD-780完成模拟计算机所搭接二阶惯性环节数据的采集，并通过绘图程序获得对象阶跃响应曲线。
2. 设计步骤
（1）前期准备工作
(1.1)配备微型计算机一台，系统软件Windows 98或DOS (不使用无直接I/O 能力的NT 或XP 系统), 内装Turbo C 2.0/3.0集成开发环境软件；
(1.2)配备模拟计算机一台(XMN-1型), 通用数据采集控制板一块（PLCD-780型）；
(1.3)复习Turboc2.0并参照说明书学习PLCD-780的使用
（2） PID 的设计
(2.1)PID 的离散化
理想微分PID 算法的传递函数形式为：???
?
??++=s T s T K s G d i p 11)(
采用向后差分法对上式进行离散，得出其差分方程形式为： u[k]=u[k-1]+q0*e[2]+q1*e[1]+q2*e[0];
其中各项系数为：
q0=kp*(1+T/Ti+Td/T);
q1=-kp*(1+2*Td/T);
q2=kp*Td/T;
实际微分PID 算法的传递函数形式为：???
? ??+++=s T s T s T K s G d i f p 111)( 采用向后差分法对上式进行离散化，写成差分方程的形式为：
u[k]=c0*(Δu[k-1])+c1*e[k]+c2*e[k-1]+c3*e[k-2]+u[k-1];
其中各项系数为：
c0=Tf/(T+Tf);
c1=kp*T/(T+Tf)*(1+T/Ti+Td/T);
c2=-kp*T/(T+Tf)*(1+2*Td/T);
c3=kp*Td/(T+Tf);
(2.2)数字PID 算法的改进
○1积分分离算法
积分分离算法通过控制PID 输入偏差e 达到优化目的，当偏差较大时停止积分作用，只有当偏差较小时才投入积分，算法如下表示：
当|e(k)|>β时，采用PD 控制；
当|e(k)|<β时， 采用PID 控制；
β的值根据具体对象及要求确定。
○
2抗积分饱和算法 抗积分饱和算法依据控制系统最终的控制输出量u 达到优化目的，当控制量u 较大且超出执行机构与A/D 转换范围时，控制器停止积分作用，保证输出超限时不积分；
○
3带死区的数字PID 算法 在实际控制系统中，计算机控制为了避免控制动作过于频繁，以消除系统振荡，就会采用带死区的PID 算法。该算法是在原PID 算法前加一个不灵敏区来实现，即
当|e(k)|>C 时，|e(k)|=|e(k)|;
当|e(k)| 其中C 代表不灵敏区值； (2.3) 手动/自动双向无扰切换 自动切手动：系统处于自动时，手操器实时跟踪自动PID 调节器的输出，切换瞬间由于手操器内部电路起保持作用，使得切换没有扰动产生，此时对象处于手操器的开环控制，调节器跟踪手操器的输出。 手动切自动：手动到自动的切换过程主要由计算机软件实现，一方面PID 调节器获得手操器输出，同时软件使得算法中的Δu[k-1])、e[k]、e[k-1]、e[k-2]等历史状态清零。 程序中通过设置键盘，使的按下手动键H 时，系统处于手动状态，按下自动键A 时，系统处于自动状态。 （3）硬件二阶惯性环节搭建 利用模拟计算机中的电容电阻及运算放大器，搭接二阶惯性环节，仿真一个被控对象。其传递函数为2 )1()(+=Ts K s G ，硬件电路如下： 图中各元件参数如下： R3=R2=510K ；R1=R4=R5=R6=R7=1M ；C1=C2=C=4.7uF ； 则可得：K=（R5/R1）*(R6/R4)=1 T1=T2=R5*C1=R6*C2=1000000*0.0000047=4.7s 所以G （s ）=1/（4.7s+1）*(4.7s+1) 搭建好硬件电路后，将PLCD-780插入IPC 机箱插槽，用导线将PLCD-780中的A/D 、D/A 、电源的接线端子与所搭二阶惯性环节的输出、输入端口及机箱上的电源连接，组成一个完整的PID 闭环控制系统，为通信做好准备。 （4）PID 参数的整定8.75,6.6*1.2,6.6*04 运用过程控制中PID 参数的工程整定方法，运用衰减曲线法对PID 参数进行整定。在matlab 中，设置PID 参数为Td=0，Ti=∞，设置合适的比例带使得对象闭环阶跃响应曲线衰减率为0.9，从而确定PID 的整定参数为：P=0.8δ，Ti=1.2t r ， Td=0.4t r ； matlab 中对象响应曲线为： 由曲线可得PID参数为：P=0.8 =0.8×5=4，Ti=1.2t r=1.2×10=12，Td=0.4t r=0.4×10=4 （5）实验结果输出 通过在程序中编写相应的绘图模块子程序，在需要画图时调用相应的子程序实现曲线的绘制。同时在程序中，本小组采用按键实现了PID手自动切换，理想PID与实际PID的切换，以及在手自动状态下由按键改变PID参数，使得调节方式更加的灵活。 3.设计结果 （1）PID阶跃响应曲线 调用程序，向PID模块输入一个阶跃信号，绘出PID阶跃响应曲线如下： （1.1）理想PID阶跃响应图： （1.2）实际PID阶跃响应图： （2）被控对象（惯性环节）阶跃响应曲线 上图通过D/A输出一个1伏左右的信号输入模拟的被控对象（惯性环节），A/D采集对象的输入信号及其响应，再使D/A输出一个幅度为2伏左右的阶跃信号，同时采集输入输出信号。然后，D/A再反向在输出一个幅度为2伏左右负的阶跃信号，同时采集输入输出信号，得出仿真对象飞升特性曲线。 程序中，通过按键实现模拟对象输入信号的加减。当按下H按键时，且按下U键时，D/A输出一个1伏阶跃信号，再次按下按键时阶跃信号累加。每次按下D键时，D/A输出的阶跃信号递减1。 （3）设定值r、控制量u和被控对象输出y的响应曲线： 4.程序清单 /*---------------头文件定义---------------*/ #include #include #include #include /*---------------定义绘图坐标---------------*/ #define ox 8 /*-----原点横坐标-------*/ #define oy 440 /*------原点纵坐标------*/ #define xx 620 /*------x轴顶点横坐标--*/ #define xy 440 /*-----x轴顶点纵坐标---*/ #define lenx 580 #define leny 400 #define yx 8 /*-----y轴顶点横坐标----*/ #define yy 15 /*------y轴顶点纵坐标----*/ /*-----------------定义绘图区域----------------*/ #define left 20 #define top 20 #define right 620 #define bottom 460 /*----------------坐标轴注释---------------------*/ #define xtext1x 450 #define xtext1y 450 #define ytext1x 10 #define ytext1y 60 #define xtext2x 610 #define xtext2y 450 #define ytext2x 10 #define ytext2y 20 /*-------------------------理想PID运算式--------------------------*/ float lxpid(float kp,float td,float ti,float e[3],float u1) { int t=1; float u; float q0=kp*(1+t/ti+td/t); float q1=-kp*(1+2*td/t); float q2=kp*td/t; u=q0*e[0]+q1*e[1]+q2*e[2]+u1; return u; } /*-------------------------实际PID运算式--------------------------*/ float sjpid(float kp,float tf,float td,float ti,float e[3],float du1,float u1) { int t=1,k=1000; float u2; float c1=tf/(t+tf); float c2=kp*t*(1+t/ti+td/t)/(t+tf); float c3=-kp*t*(1+2*td/t)/(t+tf); float c4=kp*td/(t+tf); u2=c1*du1+c2*e[0]+c3*e[1]+c4*e[2]+u1; return u2; } /*-------------------------绘图初始化--------------------------*/ void Initial_Sys(void) { int GraphDriver; int GraphMode; detectgraph(&GraphDriver,&GraphMode); initgraph(&GraphDriver,&GraphMode,"C:\\TC201E\\BGI"); cleardevice(); } /*-------------------------绘制坐标系------------------*/ void DrawAxis(void) { int i; setbkcolor(15); setcolor(5); line(ox,oy,xx,xy); /*x_axis*/ line(xx-5,xy-5,xx,xy); line(xx,xy,xx-5,xy+5); line(ox,oy,yx,yy); /*y_axis*/ line(yx-5,yy+10,yx,yy); line(yx+5,yy+10,yx,yy); for(i=0;i<51;i++) { line(ox+10*i,oy,ox+10*i,oy-10); line(ox+10*i+5,oy,ox+10*i+5,oy-5); } for(i=1;i<=8;i++) line(ox,oy-50*i,ox+10,oy-50*i); outtextxy(ox+50*0-7,oy+20,"0"); outtextxy(ox+50*1-7,oy+20,"5"); outtextxy(ox+50*2-7,oy+20,"10"); outtextxy(ox+50*3-7,oy+20,"15"); outtextxy(ox+50*4-7,oy+20,"20"); outtextxy(ox+50*5-7,oy+20,"25"); outtextxy(ox+50*6-7,oy+20,"30"); outtextxy(ox+50*7-7,oy+20,"35"); outtextxy(ox+50*8-7,oy+20,"40"); outtextxy(ox+50*9-7,oy+20,"45"); outtextxy(ox+50*10-7,oy+20,"50"); outtextxy(ox-10,oy-50*1,"1"); outtextxy(ox-10,oy-50*2,"2"); outtextxy(ox-10,oy-50*3,"3"); outtextxy(ox-10,oy-50*4,"4"); outtextxy(ox-10,oy-50*5,"5"); outtextxy(ox-10,oy-50*6,"6"); outtextxy(ox-10,oy-50*7,"7"); outtextxy(ox-10,oy-50*8,"8"); settextstyle(SMALL_FONT,HORIZ_DIR,5); outtextxy(xtext1x,xtext1y,"Time"); outtextxy(xtext2x,xtext2y,"t\/s"); settextstyle(SMALL_FONT,VERT_DIR,5); outtextxy(ytext1x,ytext1y,"The output (Response)"); outtextxy(ytext2x,ytext2y,"U(t)\/V"); } main() { float kp,ti,td,tf,e[3]={0},ee[3]={0},u[6]={0},au1=0; int r=1,k=1; Initial_Sys(); DrawAxis(); while(k<100) { u[0]=lxpid(1,3.0,10,e,u[1]); e[0]=r; /*printf("%f\n",u[0]);*/ u[3]=sjpid(1,5,3.0,10,ee,au1,u[4]); setcolor(5); line((k-1)*10,130-u[1]*100,k*10,130-u[1]*100); line(k*10,130-u[1]*100,k*10,130-u[0]*100); delay(10000); u[2]=u[1]; u[1]=u[0]; e[2]=e[1]; e[1]=e[0]; ee[0]=r; setcolor(3); line((k-1)*10,150-u[4]*100,k*10,150-u[4]*100); line(k*10,150-u[4]*100,k*10,150-u[3]*100); delay(10000); u[5]=u[4]; u[4]=u[3]; ee[2]=ee[1]; ee[1]=ee[0]; au1=u[4]-u[5]; k++; } } /*---------------头文件定义---------------*/ #include "stdio.h" #include "math.h" #include "graphics.h" /*for graph driver installing,only can be called in Turbo C*/ #include "string.h" #include "dos.h" #include "bios.h" #include "conio.h" /*for interrupt program 头文件定义* / #include "stdlib.h" #include "io.h" /*--------------按键地址区定义--------------------*/ /*statements*/ double key_ESC=0x011b; /*define can not suit the length of bioskey 键盘内存定义*/ double key_E=0x1265; double key_A=0x1e61; double key_H=0x2368; double key_U=0x1675; double key_D=0x2064; double key_I=0x1769; double key_P=0x1970; double key_up=0x4800; double key_down=0x5000; double key_left=0x4b00; double key_right=0x4d00; double key_pgup=0x4900; double key_pgdown=0x5100; /*--------------PLCD780基址定义--------------------*/ #define BASE 0x220 /*------------PCL812G need 16 addresses in a row,from 220H to 3F0H*/ #define REG 0 /*---------------定义绘图坐标---------------*/ #define ox 40 /*------------原点横坐标-------------*/ #define oy 440 /*------------原点纵坐标------------*/ #define xx 600 /*------------x轴顶点横坐标--------*/ #define xy 440 /*------------x轴顶点纵坐标--------*/ #define yx 40 /*------------y轴顶点横坐标--------*/ #define yy 40 /*------------y轴顶点纵坐标---------*/ /*---------------PID参数定义---------------*/ float Kp=1.0; float Ti=10.0; float Td=3.0; float Tf0=15.0; float Tf=0; float T=0.1; /*---------------采样时间------------*/ float ad,e,pv0; float u=0.0; float pv=0.0; float sp=0.0; char A_H='H'; int key=0; int time_counter=0; /*times of interrupt*/ int cj_counter=0; /*sampling counter*/ int Q_counter=800; /* 采集步长赋初始值*/ int stepdata[800]; int slopedata[800]; int error[800]; /*--------------函数声明 -----------------*/ void interrupt (*fadd1C)(void); void loop(); float AD(unsigned char channal); /*A/D*/ void DA(float pv1); /*D/A*/ void interrupt INT_1C(void); /*8259,reset interrupt controller*/ int scankey(); float DelayAction(float y0); void PIDset(void); float PID(float sp1,float pv1,float Kp1,float Ti1,float Td1,float Tf1,char A_H1,float T1); float Object(float u1,float T1); void Initial_Sys(void); /*Initiate graph display*/ void axis(void); void Drawline(int cj,float pv1,float sp1,float u1,float e1); /*主函数*/ void main(void) { for(i=0;i<500;i++) {stepdata[i]=10;slopedata[i]=i;error[i]=0;} /* Set new INT_1C and save old */ disable(); fadd1C=getvect(0x1C);/*1C为定时器控制的软中断,平均一秒发生18.2次，即周期为55ms 中断程序*/ /* 开启中断服务*/ setvect(0x1C,INT_1C); enable(); axis(); loop(); } /*主函数结束下面为定时采值输出程序*/ void loop() { do { if((cj_counter*T)<(time_counter/18.2)) { PIDset(); /*Introduction:Exit-E/ESC,A_H-A/H,Ideal/Parallel PID,sp-U/D*/ u=PID(sp,pv,Kp,Ti,Td,Tf,A_H,T); /*DA(u); */ pv=Object(u,T); /*ad=AD(O);*/ /*pv=DelayAction(u);*/ e=error[cj_counter]; Drawline(cj_counter,pv,sp,u,e); manu=0; /*status bar,at the top of the screen--------------how to express %.2f*/ if(Tf==0) printf("IdealPID,Mode:%c,sp=%.1f,pv=%2.1f,u=%.1f,error=%.1f,Kp=%.1f,Ti=%.1f,Td=%.1f\t\r ",A_H,sp,pv,u,e,Kp,Ti,Td); else if(Tf>0) printf("Parallal,Mode:%c,sp=%.1f,pv=%2.1f,u=%.1f,error=%.1f,Kp=%.1f,Ti=%.1f,Td=%.1f\t\r ",A_H,sp,pv,u,e,Kp,Ti,Td); else printf("\t\tTf got a wrong value! Please exit and restart this program.\r"); cj_counter++; } }while(cj_counter<500); disable(); /* 恢复中断*/ setvect(0x1C,fadd1C); enable(); } /*D/A conversion program,0 to 4095 -- 0to +5*/ float AD(unsigned char channal) { float result=0; int i; unsigned char hb=0,lb=0,ok=0x10;/*12bit AD/high 4 bits and low 8 bits*/ outportb(BASE+11,REG); /*软件程序触发*/ delay(10); /*here,'delay(int ms)' is used long before,and we just need some time for hardware working*/ outportb(BASE+10,channal); /*进行通道设置.选择通道0*/ delay(10); outportb(BASE+9,1); /*设置增益通道增益*/ delay(10); outportb(BASE+12,0); /*触发A/D转换*/ delay(10); do{ ok=inportb(BASE+5); }while(ok&0x10); hb=inportb(BASE+5); delay(10); lb=inportb(BASE+4); result = lb + ((hb&0x0F)<<8); /*0 to 4095*/ result=result*5/4096; /*0 V to +5V*/ return result; } /*A/D conversion program,0 to +5 -- 0 to 4095*/ void DA(float pv1) { int temp,i; unsigned char hb,lb; if (pv1>5) /* make the output real */ pv1=5; else if (pv1<0) pv1=0; temp=(int)(4095*pv1/5.0); hb=temp<<8; lb=temp-(hb<<8); outportb(BASE,1); delay(10); outportb(BASE+4,lb); /* low 8 */ delay(10); outportb(BASE+5,hb); /* high 4 */ } void interrupt INT_1C(void) { time_counter++; outportb(0x20,0x20); } /*键盘控制*/ int scankey(void) { int key0; key0=bioskey(1); /* function 1 returns 0 until a key is pressed */ if(key0!=0) key0=bioskey(0); /* function 0 returns the key that is waiting */ return key0; } /*DelayAction*/ /*tao=(int)(18.2*2) Delay action=2 seconds*/ float DelayAction(float y0) { float y_out; static float y_old[36]={0}; int cyc; y_out=y_old[36-1]; for(cyc=1;cyc<36;cyc++) y_old[36-cyc]=y_old[36-cyc-1]; y_old[0]=y0; return y_out; } /*PID 主程序*/ void PIDset(void) { key=scankey(); if(A_H=='H') { if(key==key_up) Kp+=0.2; else if(key==key_down) Kp-=0.2; else if(key==key_left) Ti-=0.2; else if(key==key_right) Ti+=0.2; else if(key==key_pgup) Td+=0.2; else if(key==key_pgdown) Td-=0.2; else if(key==key_U) manu='+'; else if(key==key_D) manu='-'; } if(A_H=='A') { if(key==key_U) sp+=10; if(key==key_D) sp-=10; } if(key==key_E||key==key_ESC) exit(1); if(key==key_A) A_H='A'; if(key==key_H) A_H='H'; if(key==key_I) Tf=0; if(key==key_P) Tf=Tf0; } /*PID-default:IdealPID*/ float PID(float sp1,float pv1,float Kp1,float Ti1,float Td1,float Tf1,char A_H1,float T1) { float delta_u,u0,e,C1,C2,C3,C4; static float e1,e2,u1,delta_u1; /*here,u1 stands for the previous value of u*/ if(Kp1<0) printf("Kp becomes a negative number,please restart."); 如图所示是JN6201集成电路鸡蛋孵化温度控制器电路图，根据该原理图完成1~3题。 1.该电路图作为控制系统的控制（处理）部分是IC JN6201，当JN6201集成输出9脚长时间处于高电平，三极管V2处于截止状态，继电器释放，电热丝通电加热。 2.安装好调试时，先将温度传感器Rt1放入37℃水中，调整电位器Rp1，使继电器触点J-2吸合，再将温度传感器Rt2放入39℃水中，调整Rp2，使继电器触点J-2释放。 3.调试时发现，不管电位器Rp1和Rp2怎么调，继电器J 始终吸合，检查电路元器件安装和接线都正确，用万用表测三极管V2集电极电位，在不同的调试状态分别为2.8V 和0V ，可知电路发生故障的原因是（ B ） A.二极管V6内部断路 B.三极管V3内部击穿（短路） C.电阻R4与三极管V3基极虚焊 D.继电器线圈内部短路 如图所示是运算放大器鸡蛋孵化温度控制器电路图，根据该原理完成4~6题。 4.该电路作为控制系统的输出部分是继电器J 、电热丝等，当电路中集成运放2脚的电位低于3脚的电位，三极管V3处于饱和状态，继电器J 吸合，电热丝通电加热。 上限 V2饱和导通时候Uce 电压降0.2V ，所以留下来给集电极2.8V ，截止时候0V 5.安装好后调试时，将温度传感器Rt 放入39℃水中，调R4，使电压U2=U3，集成运放输出端6脚的电压为0V ，电路实现39℃单点温度控制。 6.调试时发现，将温度传感器Rt 放入高于39℃水中，继电器吸合；将温度传感器Rt 放入低于39℃水中，继电器释放，出现该故障现象的原因可能是（ A ） A.集成运放2脚与3脚接反 B.二极管V4接反 C.电阻R2断路 D.三极管V3损坏 如图所示是晶体管组成的水箱闭环电子控制系统电路，根据该原理图完成7~9题。 7.该电路作为控制系统被控对象的是水箱内的水，水箱的水位从a 点降到b 点的过程中，三极管V1处于饱和状态，三极管V2处于截止状态，继电器触点J-1处于吸合状态。 8.安装调试时，将三个水位探头按图中的高低放入空玻璃杯中，如果电路正常，电路通电后，继电器J 吸合；向玻璃杯中加水，到达a 点时，继电器J 释放；接着将玻璃杯中的水排出，水位降到b 点以上时，继电器J 释放；水位降到b 点以下时，继电器J 吸合。 9.调试时发现，玻璃杯中的水位在b 点以下时，继电器J 就吸合；水位加到b 点，继电器J 就释放。出现该故障现象的原因是（ D ） A.继电器J 没用 B.三极管V1损坏 C.二极管V3接反 D.电路没接J-1触点，b 点直接接到了电阻R1 如图所示是555集成电路组成的水箱水位闭环电子控制系统电路图， (第4~6题) (第7~9题) R4 10k ?R5 4.7k R3 4.7k 课程设计(综合实验)报告 ( 2011-- 2012 年度第二学期) 名称：过程计算机控制系统 题目：DDC单回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真院系：控制与计算机工程学院 班级： 学号： 学生： 指导教师：朱耀春 设计周数：一周 成绩： 日期：2012 年 6 月20 日 一、 课程设计的目的与要求 1.设计目的 在计算机控制系统课程学习的基础上，加强学生的实际动手能力，通过对DDC 直接数字闭环控制的仿真加深对课程容的理解。 2.设计要求 本次课程设计通过多人合作完成DDC 直接数字闭环控制的仿真设计，学会A/D 、D/A 转换模块的使用。通过手动编写PID 运算式掌握数字PID 控制器的设计与整定的方法，并做出模拟计算机对象飞升特性曲线，熟练掌握DDC 单回路控制程序编制及调试方法。 二、 设计正文 1.设计思想 本课程设计利用Turboc2.1开发环境，通过手动编写C 语言程序完成PID 控制器的设计，A/D 、D/A 转换，绘出PID 阶跃响应曲线与被控对象动态特性曲线。整个设计程序模块包含了PID 配置模块，PLCD-780定时采样、定时输出模块，PID 手/自动切换模块（按键控制）及绘图显示模块。 设计中，通过设定合理的PID 参数，控制PLCD-780完成模拟计算机所搭接二阶惯性环节数据的采集，并通过绘图程序获得对象阶跃响应曲线。 2. 设计步骤 （1）前期准备工作 (1.1)配备微型计算机一台，系统软件Windows 98或DOS (不使用无直接I/O 能力的NT 或XP 系统), 装Turbo C 2.0/3.0集成开发环境软件； (1.2)配备模拟计算机一台(XMN-1型), 通用数据采集控制板一块（PLCD-780型）； (1.3)复习Turboc2.0并参照说明书学习PLCD-780的使用 （2） PID 的设计 (2.1)PID 的离散化 理想微分PID 算法的传递函数形式为：??? ? ??++=s T s T K s G d i p 11)( 采用向后差分法对上式进行离散，得出其差分方程形式为： u[k]=u[k-1]+q0*e[2]+q1*e[1]+q2*e[0]; 其中各项系数为： q0=kp*(1+T/Ti+Td/T); q1=-kp*(1+2*Td/T); Honeywell-DCS-控制回路PID参数整定方法 Honeywell PKS系统控制回路PID参数整定方法 鉴于目前一联合装置仪表回路自控率比较低，大部分的回路都是手动操作，这样不但增加了操作员的工作量，而且对产品质量也有一定的影响，特编制了此PID参数整定方法。 修改PID参数必须有“SUPV（班长）”及以上权限权限，具体权限设置切换方法如下； 一、打开要修改的控制回路细目画面，翻到下图所示的页面（Loop Tune）， 修改 PID控制回路整定的三个参数K，T1，T2； 到强，对容量滞后有明显的作用，但是对纯滞后没有效果。 四、控制器的选择方法 （1）P控制器的选择：它适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统； （2）PI控制器的选择：它适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统； （3）PID控制器的选择：它适用于负荷变化大，容量滞后较大，控制质量要求又很高的控制系统，比如温度控制系统。 五、PID参数整定的方法 一般在工程应用中采用经验凑试法。 经验凑试法在实践中最为实用。在整定参数时，必须认真观察系统响应情况，根据系统的响应情况决定调整那些参数。观察系统响应效果，可以通过查看控制回路细目画面中的实时趋势曲线，衰减曲线最好是4：1，即前一个峰值与后一个峰值的比值为4：1。 经验值：在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改，这里的P代表比例度，P＝1/K。 总之，在整定时不能让系统出现发散振荡，如出现发散振荡，应立即切为手动，等系统稳定后减小放大倍数、增大积分时间或减小微分时间，重新切换到自动控制。 放大倍数越小，过渡过程越平稳，但余差越大。放大倍数越大，过渡过程容易发生振荡。积分时间越小，消除余差就越快，但系统振荡会较大，积分时间越大，系统消除余差的速度较慢。微分时间太大，系统振荡次数增加，调节时间增加，微分太小，系统调节缓慢。 控制器参数凑试法的步骤： 因为比例作用是基本的控制作用，因此，首先把比例度凑试好，待过渡过程已基本稳定，然后加积分作用消除余差，最后加入微分作用进一步提高控制质量，基本步骤如下： （A）对P控制器，将放大倍数放在较小的位置，逐渐增大K，观察被控量的过渡过程曲线，直到曲线满意为止； （B）对PI控制器，先置T1=0，按纯比例作用整定放大倍数使之达到4：1衰减曲线；然后将K缩小（10～20％），将积分时间T1由大到小逐步加入，直到获得4：1衰减过程； （C）对PID控制器，将T2＝0；先按PI作用凑试程序整定K，T1参数，然后将放大倍数增大到比原值大（10～20％）位置，T1也适当减小之后，再把T2由小到大逐步加入，观察过渡曲线，直到获得满意的过渡过程。 一句话：整定参数时要认真观察系统输出及被调量的变化情况，再根据具体情况适当修改PID参数。可以说，只要工艺技术员多花点时间，大多数控制系统采用PID调节都能满足要求。 六、串极控制回路整定 闭环控制系统的干扰与反馈 教材：（凤凰国标教材）普通高中课程标准实验教科书通用技术（必修2） 文档内容：闭环控制系统的干扰与反馈 章节：第四单元控制与设计第三节闭环控制系统的干扰与反馈 课时：第1课时 作者：叶朝晖（海南省海南中学） 一、教学目标 1. 知识与技能目标 （1）能结合案例找出影响简单控制系统运行的主要干扰因素，并作分析。 （2）熟悉闭环控系统中反馈环节的作用。 （3）能识读和画出简单的闭环控制系统的方框图，理解其中的控制器、执行器的作用。 2. 过程与方法目标 （1）通过课堂小试验亲身体验“反馈”的作用。 （2）通过典型闭环控制系统的分析，熟悉闭环控制系统的基本组成及工作过程。 （3）逐步形成理解和分析闭环控制系统的一般方法，学会使用逆推法分析问题。 3. 情感态度与价值观目标 （1）通过“神奇”的自动控制装置，感受科技的魅力，形成和保持探究控制系统的兴趣与热情。 （2）通过对闭环控制系统的探究，形成勇于探索敢于创造优良品质。 二、教学重点 本节学习重点偏重于对闭环控制系统反馈环节的作用的体会，及学会用系统框图来帮助分析和理解闭环控制系统。 三、教学难点 分析闭环控系统的基本组成及工作过程 四、教学方法 演示法、逆推分析法、游戏法 五、设计思想： 1. 教材分析 本节是“控制与设计”第三节的内容，其内容包括“干扰因素”、“反馈”、“功能模拟方法”和“黑箱方法”。闭环控制系统相对于开环控系统要复杂些，但闭环控制系统因其控制准，自动化程度高，有着“神奇”的控制效果，对学生来说也同样具有一定的吸引力，成为学生进一步学习的动力。本节学习重点偏重于对闭环控制系统反馈环节的作用的体会，及学会用系统框图来帮助分析和理解闭环控制系统。 《闭环控制系统》教案分析 一.开环和闭环控制系统的定义分析 二.开环和闭环控制系统的区别及判断方法 三.闭环控制系统的方框结构及与实际系统的对应关系 四.闭环控制系统的各部分结构的基本概念的归纳总结 五.开闭环,自动和手动控制系统的总结 问题研讨1: .人开电灯的控制方式 问提研讨:人打开电灯开关后,不看电灯是否亮不亮,这是一种什么控制? 人打开电灯开关后,要看电灯是否亮不亮,如不亮,要多次开关电灯,甚至检修开关,直到开亮为止,这是一种什么控制? 2.人开汽车 人手握方向盘开汽车是什么控制方式? 人两手离开方向盘去发手机短信,有拐弯时,或有情况时手再扶方向盘,这种开汽车方式是什么控制方式? 问提研讨2: 自动控制系统是否一定是闭环控制? 举例说明之 按照控制的总定义,是否有人参加的控制 系统一定是闭环控制系统? 开环控制系统一定没有检测,反馈回路吗? 水箱水位自动控制系统中,被控对像是水箱吗? 现在有些教材中出现“输出量”的概念,它是什么?它等于被控量吗? 一.开环和闭环控制系统的定义分析 例1. 飞镖（图4-7）是同学们都很熟悉的运动。我们在投掷飞镖时，首先会在脑子里确定一个希望射中的目标，然后再根据场地的情况及自己的经验，控制手臂的投掷动作，将飞镖掷出。显然，在飞镖掷出后，飞镖的飞行就不可控制了，能否命中目标，取决于飞镖在投掷时的初始状态，即投掷者的投掷水平。 实际上，如果我们希望某一事物按照自己的意愿发展，就要对其进行干预，这种根据自己的目的，通过一定的手段使事物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制。 二.开环和闭环控制系统的区别及判断方法 开、闭环控制的定义 能将控制的结果反馈回来与希望值进行比较，并根据它们的误差及时调整控制的系统，称为闭环控制系统。而不是将控制的结果反馈回来影响控制作用的系统，称为开环控制系统。系统中将控制的结果反馈回来的部分，称为反馈环节。闭环控制系统都有反馈环节，所以有时又称闭环控制系统为 在实际应用中，我们尽量避免使用高深复杂的数学公式，希望能使经验法更多的发挥能力，这样既可以节省很多时间，也可以通过经验的传授使更多的工程师或工人可以掌握一种简单有效的方法来进行PID控制器的调节。 传统的PID经验调节大体分为以下几步： 1．关闭控制器的I和D元件，加大P元件，使产生振荡。 2．减小P，使系统找到临界振荡点。 3．加大I，使系统达到设定值。 4．重新上电，观察超调、振荡和稳定时间是否符合系统要求。 5．针对超调和振荡的情况适当增加微分项。 以上5个步骤可能是大家在调节PID控制器时的普遍步骤，但是在寻找合时的I和D参数时，并非易事。如果能够根据经典的Ziegler-Nichols（ZN法）公式来初步确定I和D元件的参数，会对我们的调试起到很大帮助。 John Ziegler和Nathaniel Nichols发明了著名的回路整定技术使得PID算法在所有应用在工业领域内的反馈控制策略中是最常用的。Ziegler-Nichols整定技术是1942年第一次发表出来，直到现在还被广泛地应用着。 所谓的对PID回路的“整定”就是指调整控制器对实际值与设定值之间的误差产生的反作用的积极程度。如果正巧控制过程是相对缓慢的话，那么PID算法可以设置成只要有一个随机的干扰改变了过程变量或者一个操作改变了设定值时，就能采取快速和显著的动作。 相反地，如果控制过程对执行器是特别地灵敏而控制器是用来操作过程变量的话，那么PID算法必须在比较长的一段时间内应用更为保守的校正力。回路整定的本质就是确定对控制器作用产生的过程反作用的积极程度和PID算法对消除误差可以提供多大的帮助。 经过多年的发展，Ziegler-Nichols方法已经发展成为一种在参数设定中，处于经验和计算法之间的中间方法。这种方法可以为控制器确定非常精确的参数，在此之后也可进行微调。Ziegler-Nichols方法分为两步： 1．构建闭环控制回路，确定稳定极限。 2．根据公式计算控制器参数。 稳定极限是由P元件决定的。当出现稳态振荡时就达到了这个极限。产生了临界系数Kpcrit 和临界振荡周期Tcrit。 单闭环控制系统设计及仿真 班级电信2014 姓名张庆迎 学号142081100079 摘要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。 关键词直流电机直流调速系统速度调节器电流调节器双闭环系统 一、单闭环直流调速系统的工作原理 1、单闭环直流调速系统的介绍 单闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。 2、双闭环直流调速系统的介绍 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，如图1—1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称 双闭环控制系统设计 课程设计报告 电力拖动自动控制系统课程设计 题目：双闭环控制系统设计学生姓名：董长青专业：电气自动化技术专业班级： Z070303 学号： Z07030330 指导教师：姬宣德 日期：2010年03月10日 随着现代工业的发展，在调速领域中，双闭环控制的理念已经得 到了越来越广泛的认同与应用。相对于单闭环系统中不能随心所欲地 控制电流和转矩的动态过程的弱点。双闭环控制则很好的弥补了他的 这一缺陷。 双闭环控制可实现转速和电流两种负反馈的分别作用，从而获得 良好的静，动态性能。其良好的动态性能主要体现在其抗负载扰动以 及抗电网电压扰动之上。正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有 必要对其最优化设计进行深入的探讨和研究。本次课程设计目的就是 旨在对双闭环进行最优化的设计。 Summary With the development of modern industry, in the speed area, the concept of dual-loop control has been increasingly widespread recognition and application. Relative to the single closed-loop system can not arbitrarily control the dynamic process of current and torque weakness. Double closed-loop control is very good to make up for this shortcoming of his. Double-loop speed and current control can achieve the difference of two negative feedback effect, thus get a good static and dynamic performance. The good dynamic performance mainly reflected in its anti-disturbance and anti-grid load over voltage disturbance. Precisely because of the many advantages of Double Closed Loop, so here it is necessary to optimize the design of its depth discussion and study. This course is designed to designed to optimize the double loop design. 一．课程设计设计说明书4 1.1系统性能指标 1.2整流电路4 1.3触发电路的选择和同步5 1.4双闭环控制电路的工作原理6 二. 设计计算书7 2.1整流装置的计算7 2.1.1变压器副方电压7 2.1.2变压器和晶闸管的容量8 2.1.3平波电抗器的电感量8 2.1.4晶闸管保护电路9 2.2 控制电路的计算10 本科生课程设计（论文）工业生产过程控制课程设计（论文）题目：液位闭环反馈控制系统设计 院（系）：电气工程学院 专业班级：自动化093 学号： 0 学生姓名： 指导教师：（签字） 起止时间： 12.6.25--12.7.6 本科生课程设计（论文） 1 课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室：自动化 学 号 090302091 学生姓名 专业班级 自动化093 设计题 目 液位闭环反馈控制系统设计 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能 设计一个液位闭环反馈控制系统 。 在工业生产中经常要对储罐、反应器等密闭容器的液位进行控制，为了能够精确控制液 位高度，保证正常生产，要求设计液位闭环反馈控制系统，能抑制流量波动，且系统无余差。 设计任务及要求 1、确定控制方案并绘制工艺P&ID 图、系统框图； 2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数； 3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式； 4、若设计由计算机实现的数字控制系统应给出系统硬件电气连接图及程序流程图； 5、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。 技术参数 测量范围：20～100cm ； 控制精度：±0.5cm ； 控制液位：80cm ； 最大偏差：1cm ； 工作计划 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天，分散完成） 2、确定系统的控制方案，绘制P&ID 图、系统框图。（1天，实验室完成） 3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号。（2天，分散完成） 4、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式。（实验室1天） 5、仿真分析或实验测试、答辩。（3天，实验室完成） 6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成） 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 指导教师签字： 总成绩： 年 月 日 目录 摘要 0 双闭环流量比值控制系统设计 (1) 1、双闭环比值控制系统的原理与结构组成 (1) 2、课程设计使用的设备 (1) 3、比值系数的计算 (2) 4、设备投运步骤以及实验曲线结果 (2) 5、总结 (6) 6、参考文献 (6) 摘要 在许多生产过程中，工艺上常常要求两种或者两种以上的物料保持一定的比例关系。一旦比例失调，会影响生产的正常进行，造成产量下降，质量降低，能源浪费，环境污染，甚至造成安全事故。 这种自动保持两个或多个参数间比例关系的控制系统就是比值控制所要完成的任务。因此比值控制系统就是用于实现两个或两个以上物料保持一定比例关系的控制系统。需要保持一定比例关系的两种物料中，总有一种起主导作用的物料，称这种物料为主物料，另一种物料在控制过程中跟随主物料的变化而成比例的变化，这种无物料成为从物料。由于主，从物料均为流量参数，又分别成为主物料流量和从物料流量，通常，主物料流量用Q1表示，从物料流量用Q2表示，工艺上要求两物料的比值为K，即K=Q2/Q1.在比值控制精度要求较高而主物料Q1又允许控制的场合，很自然就想到对主物料也进行定值控制，这就形成了双闭环比值系统。在双闭环比值系统中，当主物料Q1受到干扰发生波动时，主物料回路对其进行定值控制，使从物料始终稳定在设定值附近，因此主物料回路是一个定值控制系统，而从物料回路是一个随动控制系统，主物料发生变化时，通过比值器的输出，使从物料回路控制器的设定值也发生变化，从而使从物料随着主物料的变化而成比例的变化。当从物料Q2受到干扰时，和单闭环控制系统一样，经过从物料回路的调节，使从物料稳定在比值器输出值上。双闭环比值控制系统由于实现了主物料Q1的定值控制，克服了干扰的影响，使主物料Q1变化平稳。当然与之成比例的从物料Q2变化也将比较平稳。根据双闭环比值控制系统的优点，它常用在主物料干扰比较频繁的场合，工艺上经常需要升降负荷的场合以及工艺上不允许负荷有较大波动的场合。本实验通过了解双闭环比值控制系统的原理与结构组成，进行双闭环流量比值控制系统设计（包括仪表选型）以及进行比值系数的计算，最后基于WinCC进行监控界面设计，给出不同参数下的响应曲线，根据扰动作用时，记录系统输出的响应曲线。 目录 第1章概述 (1) 1.1 转速单闭环调速系统设计意义 (1) 1.2 转速单闭环调速系统的设计要求 (1) 第2章原系统的动态结构图及稳定性的分析 (2) 2.1 原系统的工作原理 (2) 2.2 原系统的动态结构图 (3) 2.3 闭环系统的开环放大系数的判断 (3) 2.4 相角稳定裕度γ的判断 (4) 第3章调节器的设计及仿真 (5) 3.1 调节器的选择 (5) 3.2 PI调节器的设计 (5) 3.3 校正后系统的动态结构图 (8) 3.4 系统的仿真结构图及测试结果 (8) 第4章课程设计总结 (9) 参考文献 (10) 转速单闭环调速系统设计 1、概述 1.1 转速单闭环调速系统设计意义 为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力,但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求,可利用速度负反馈提高稳态精度,而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的,为了消除系统的静差,可用积分调节器代替比例调节器. 反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该量的负 反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。对调速系统来说，若想提高静态指标， 就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要 想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方发就是采用转速负反馈构成转速闭环 调节系统。 1.2 转速单闭环调速系统的设计要求 n=1500rpm,U N=220V,I N=17.5A,Ra=1.25Ω。主回路总电阻电动机参数：P N=3KW, N R=2.5Ω，电磁时间常数T l=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数α=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 设计要求： （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 设计任务： （1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计； 控制系统课程设计报告书 系部名称： 学生姓名： 专业名称： 班级： 时间： 直流电机的闭环调速系统设计 一、设计要求： 利用PID 控制器、光电传感器及F/V 转换器设计直流电机的闭环调速系统。 要求：给定直流小电机，设计模拟PID 控制器，利用传感器检测速度（ST15、 LM331），搭建成闭环控制电机转速系统。 （1）阶跃响应的超调量：σ%≤20%； （2）阶跃响应的调节时间：t s =1s ±0.02s 。 二、设计方案分析 1、方案设计： 器材：电路板、PID 控制器、小型直流电机、LM331、ST151各一片 电阻、电容若干、导线、LM324若干 原理框图： 输入 输出 注： 1.输入电源信号与反映电机转速变化的电压信号的反馈调节电压信号，作为共同输入，通过PID 控制器调节，驱动电机工作。 2.电动机转动叶轮，叶轮通过转动在光电传感器处产生脉冲信号并输入给F/V 转换器；F/V 转换器将频率信号转换为电压信号，将此作为反馈信号然后通过PID 控制器对输出电压进行校正。 2、背景知识介绍： 减 PID 控制器 直流电机 F/V 转换器Lm331 光电传感器ST151 （1）选题背景及意义 在电气时代的今天，电动机一直在现代化生产和生活中起着十分的重要的作用。无论是在农业生产、交通运输、国防、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常的生活中的家用电器，都大量地使用着各种各样的电动机。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种，简单控制是只对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是只对电动机的转角、转矩，电压、电流等物理量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前对直流的简单控制的应用很多，但是，随着现代步伐的迈进，人们对自动化的要求越来越高，使直流电机的PID控制控制逐渐成为主流，实现对电机转速的精确控制。 （2）系统校正 系统校正，就是在系统中加入一些参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生改变，从而满足给定的各项性能指标，在系统校正中，当系统的性能指标以单位阶跃响应的峰值时间、调节时间、超调量、阻尼比、稳态误差等时域特征量给出时，一般采用的是根轨迹校正法，实验所用软件为MATLAB、EWB软件，使用MATLAB软件绘制系统校正前后的根轨迹图，系统的闭环阶跃响应，观察系统校正前后的各项性能指标是否满足系统所需性能指标，在Simulink界面下或使用EWB软件对校正前后的系统进行仿真运行，观察系统输出曲线的变化。 在控制系统设计中，常用的校正方法为串联校正和反馈校正，串联校正比反馈校正设计简单，也比较容易对信号进行各种必要形式的转换，特别在直流控制系统中，由于传递直流电压信号，适合采用串联校正。在确定校正装置的具体形式时，根据校正装置所需提供的控制规律选择相应的元件，常常采用比例、微分、积分控制规律，或基本规律的组合，如比例微分、比例积分等。而本次课题选择的正是PID即比例积分微分控制器。 三、硬件设计： 总体仿真电路： Honeywell DCS 控制回路PID参数整定方法 鉴于目前一联合装置仪表回路自控率比较低，大部分的回路都是手动操作，这样不但增加了操作员的工作量，而且对产品质量也有一定的影响，特编制了此PID参数整定方法。 一、修改PID参数必须有“SUPPERVISOR”及以上权限权限，用键盘钥匙可以切换权限，钥匙已送交一联合主任胜手中； 二、打开要修改的控制回路细目画面，翻到下图所示的页面，修改PID控制回路整定的三个参数K，T1，T2； 三、PID参数代表的含义 K：比例增益（放大倍数），围为0.0～240.0； T1：积分时间，围为0.0～1440.0，单位为分钟，0.0代表没有积分作用； T2：微分时间，围为0.0～1440.0，单位为分钟，0.0代表没有微分作用。 四、PID参数的作用 （1）比例调节的特点：1、调节作用快，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大K倍输出； 2、系统存在余差。 K越小，过渡过程越平稳，但余差越大；K增大，余差将减小，但是不能完 全消除余差，只能起到粗调作用，但是K过大，过渡过程易振荡，K太大时，就可能出现发散振荡。 （2）积分调节的特点：积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比，积分作用能消除余差，但降低了系统的稳定性，T1由大变小时，积分作用由弱到强，消除余差的能力由弱到强，只有消除偏差，输出才停止变化。 （3）微分调节的特点：微分调节的输出是与被调量的变化率成正比，在引入微分作用后能全面提高控制质量，但是微分作用太强，会引起控制阀时而全开时而全关，因此不能把T2取的太大，当T2由小到大变化时，微分作用由弱到强，对容量滞后有明显的作用，但是对纯滞后没有效果。 五、如果要知道控制回路的作用方式，可以进入控制回路的细目画面，进入下图所示页面： 其中“CTLACTN”代表控制器作用方式，“REVERSE”表示反作用，“DIRECT”代表正作用。 六、控制器的选择方法 （1）P控制器的选择：它适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定围变化的系统； （2）PI控制器的选择：它适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统； 控制工程学院课程实验报告： 现代控制理论课程实验报告 实验题目：状态反馈控制系统的设计与实现 班级自动化（工控）姓名曾晓波学号2009021178 日期2013-1-6 一、实验目的及内容 实验目的： （1 ）掌握极点配置定理及状态反馈控制系统的设计方法； （2 ）比较输出反馈与状态反馈的优缺点； （3 ）训练程序设计能力。 实验内容： （1 ）针对一个二阶系统，分别设计输出反馈和状态反馈控制器；（2 ）分别测出两种情况下系统的阶跃响应； （3 ）对实验结果进行对比分析。 二、实验设备 装有的机一台 三、实验原理 一个控制系统的性能是否满足要求，要通过解的特征来评价，也就是说当传递函数是有理函数时，它的全部信息几乎都集中表现为它的极点、零点及传递函数。因此若被控系统完全能控，则可以通过状态反馈任意配置极点，使被控系统达到期望的时域性能指标。 闭环系统性能与闭环极点（特征值）密切相关，在状态空间的分析和综合中，除了利用输出反馈以外，主要利用状态反馈来配置极点，它能提供更多的校正信息。 (一) 利用状态反馈任意配置闭环极点的充要条件是：受控系统可控。 设（ ）受控系统的动态方程为 状态向量x 通过状态反馈矩阵k ，负反馈至系统参考输入v ，于是有 这样便构成了状态反馈系统，其结构图如图1-1所示 图1-1 状态反馈系统结构图 状态反馈系统动态方程为 闭环系统特征多项式为 ()()f I A bk λλ=-+ （1-2） 设闭环系统的期望极点为1λ，2λ，…，n λ，则系统的期望特征多项式 x b v u 1 s C A k - y x & 为 )())(()(21*n f λλλλλλλ---=Λ （1-3） 欲使闭环系统的极点取期望值，只需令式（1-2）和式（1-3）相等，即 )()(* λλf f = （1-4） 利用式（1-4）左右两边对应λ的同次项系数相等，可以求出状态反馈矩阵 []n k k k Λ 2 1 =k (二) 对线性定常连续系统∑(),若取系统的输出变量来构成反馈,则所得到的闭环控制系统称为输出反馈控制系统。输出反馈控制系统的结构图如图所示。 开环系统状态空间模型和输出反馈律分别为 H 为r ＊m 维的实矩阵,称为输出反馈矩阵。 则可得如下输出反馈闭环控制系统的状态空间模型: 输出反馈闭环系统可简记为H(),其传递函数阵为: (s)()-1B B ? A C H y - x u v + + + x ' 开环系统 A B C H '=+?? =?=-+x x u y x u y v ()A BHC B C '=-+??=? x x v y x Honeywell PKS系统控制回路PID参数整定方法 鉴于目前一联合装置仪表回路自控率比较低，大部分的回路都是手动操作，这样不但增加了操作员的工作量，而且对产品质量也有一定的影响，特编制了此PID参数整定方法。 修改PID参数必须有“SUPV（班长）”及以上权限权限，具体权限设置切换方法如下； 一、打开要修改的控制回路细目画面，翻到下图所示的页面（Loop Tune），修改PID控制回路整定的三个参数K，T1，T2； 二、PID参数代表的含义 Control Action：控制器的作用方式，正作用（DIRECT），反作用（REVERSE）； Overal Gain（K）：比例增益（放大倍数），范围为0.0～240.0； T1：积分时间，范围为0.0～1440.0，单位为分钟，0.0代表没有积分作用； T2：微分时间，范围为0.0～1440.0，单位为分钟，0.0代表没有微分作用。 三、PID参数的作用 （1）比例调节的特点：1、调节作用快，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大K倍输出； 2、系统存在余差。 K越小，过渡过程越平稳，但余差越大；K增大，余差将减小，但是不能完全消除余差，只能起到粗调作用，但是K过大，过渡过程易振荡，K太大时，就可能出现发散振荡。 （2）积分调节的特点：积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比，积分作用能消除余差，但降低了系统的稳定性，T1由大变小时，积分作用由弱到强，消除余差的能力由弱到强，只有消除偏差，输出才停止变化。 （3）微分调节的特点：微分调节的输出是与被调量的变化率成正比，在引入微分作用后能全面提高控制质量，但是微分作用太强，会引起控制阀时而全开时而全关，因此不能把T2取的太大，当T2由小到大变化时，微分作用由弱到强，对容量滞后有明显的作用，但是对纯滞后没有效果。 四、控制器的选择方法 （1）P控制器的选择：它适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统； （2）PI控制器的选择：它适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统； （3）PID控制器的选择：它适用于负荷变化大，容量滞后较大，控制质量要求又很高的控制系统，比如温度控制系统。 五、PID参数整定的方法 闭环控制系统的干扰与反馈教学设计 1．教材分析及教学设计介绍 本节是在学生对控制系统有一定认识的基础上具体的阐述闭环控制系统的干扰与反馈的辨证关系，是全书的重点章节，也是控制系统的具体应用章节章节。为以后学习的控制系统的设计等内容奠定了理论基础。 【教学目标】 知识目标：了解闭环控制系统的干扰与反馈的各方面因素 能力目标：能结合身边的案例找出干扰的因素，并作出分析。 情感目标：培养学生对一个控制系统的理解能力和分析能力，并能从物性到理性过渡，能对学习与人生产生干扰影响的因素进行分析。 【重点与难点】 重点：学会分析干扰在控制系统的影响，反馈在技术发明和革新中的作用。 难点：干扰系统的全面分析，反馈环节的使用。 【教法设计】 本课通过“案例分析法”，采用启发式、讲述式、分析等多种教学方式，以课程目标为依据，努力提高教学的生动性和逻辑性，激发学生的学习兴趣，提高学生的注意力，使学生能够自己建构出本课的知识点。 【学法设计】 本节课的教学对象是刚刚对控制系统有了初步的了解学生，对控制的干扰还蒙着一层神秘的面纱。好奇心较强，思维活跃，虽然他们的生活经验不是很丰富，但根据他们现有的认知水平和认知风格还是很容易接受本节课的内容。 本课教给学生的学法是“分析案例——合作探究——得出结论——思维扩展”。【教学资源准备】 教学相关资料的准备，包括文本（骑自行车的干扰分析，学生生活经验）、图片（各种自行车图片、影响因素图片）；教师演示教学课件。课件容纳一些图片和例子说明。 图片可以从网上下载，也可以把书中照片用数码相机拍摄，通过电脑处理后使用。【教学策略】 根据本课的教学目标，我采用教师讲授，媒体演示，任务驱动，学生自主思考、合作讨论等多种教学方法相结合的策略。 2．教案 【创设情境、导入新课】 做一个简单的调查：每天上学骑自行车的感受？乘车的感受等？ 在送乘飞机出行时，为什么不能说祝你一路顺风，（活跃课堂气氛，激发学生的求知欲。） 大部分同学应该是有风的影响，从而联系到本节课的内容：干扰因素，同时乘车也有干扰，而且不论是骑自行车还是乘车干扰因素不止一个，有主要的，有次要的。 这节课我们就研究研究闭环控制系统的干扰与反馈。 【新课教学】 1、干扰因素 本环节通过对二个典型的案例的分析，由学生归纳闭环控制系统的干扰与反馈。再联系实际生活，由学生列举生活中的例子，证明他们的观点。 案例一：逆风中骑自行车。 案例二：飞机飞行。 结论：在控制系统中，干扰因素一定有，可能有一个，也可能有若干个 案例三：战士在大风大雨中进行射击练习。 课程设计报告 课程课程设计 课题双闭环控制系统设计 班级 姓名 学号 目录 第1章双闭环系统分析.................................................................................. 错误!未定义书签。 系统介绍.................................................................................................... 错误!未定义书签。 系统原理.................................................................................................... 错误!未定义书签。 双闭环的优点............................................................................................ 错误!未定义书签。第2章系统参数设计...................................................................................... 错误!未定义书签。 电流调节器的设计.................................................................................... 错误!未定义书签。 时间参数选择.................................................................................... 错误!未定义书签。 计算电流调节参数............................................................................ 错误!未定义书签。 校验近似条件.................................................................................... 错误!未定义书签。 转速调节器的设计.................................................................................... 错误!未定义书签。 电流环等效时间常数：.................................................................... 错误!未定义书签。 转速环截止频率为............................................................................ 错误!未定义书签。 计算控制器的电阻电容值................................................................ 错误!未定义书签。第3章仿真模块.............................................................................................. 错误!未定义书签。 电流环模块................................................................................................ 错误!未定义书签。 转速环模块................................................................................................ 错误!未定义书签。第4章仿真结果.............................................................................................. 错误!未定义书签。 电流环仿真结果........................................................................................ 错误!未定义书签。 转速环仿真结果........................................................................................ 错误!未定义书签。 稳定性指标的分析.................................................................................... 错误!未定义书签。 电流环的稳定性................................................................................ 错误!未定义书签。 转速环的稳定性................................................................................ 错误!未定义书签。结论.................................................................................................................... 错误!未定义书签。参考文献............................................................................................................ 错误!未定义书签。5.2 闭环电子控制系统的设计与应用(1)
DDC单回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真课程设计报告
Honeywell-DCS-控制回路PID参数整定方法
闭环控制系统的干扰与反馈教案
《闭环控制系统》教案分析
ZN法整定PID参数
单闭环控制系统设计及仿真要点
双闭环控制系统设计
液位闭环反馈控制系统设计
双闭环流量比值控制系统设计
转速单闭环调速系统设计说明
(完整word版)直流电机的闭环调速系统设计
HoneywellDCS控制回路PID参数整定方法
状态反馈控制系统的设计与实现
Honeywell_DCS_控制回路PID参数整定方法
《闭环控制系统的干扰与反馈》教学设计
双闭环控制系统