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1、设计目的与要求：了解并掌握单回路控制系统的构成和控制原理。了解PID参数整定的基本方法，如Ziegler-Nichols整定方法、临界比例度法或衰减曲线法。学会用matlab中的Simulink仿真系 统进行PID参数整定。五、设计正文：在热工生产过程中，最简单、最基本且应用最广泛的就是单回路控制系统，其他各种复杂系统都是以单回路控制系统为基础发展起来的。单回路控制系统的组成方框原理图如图1所示，它是由一个测量变送器、一个控制器和一个执行器(包括调节阀)，连同被控对象组成的闭环负反馈控制系统。干扰图1、单回路控制系统组成原理方框图控制器的参数整定可分为理论计算法和工程整定法。理论计算方法是基于
2、一定的性能指标， 结合组成系统各环节的动态特性，通过理论计算求得控制器的动态参数设定值。这种方法较为复杂繁琐，使用不方便，计算也不是很可靠，因此一般仅作为参考；而工程整定法，则是 源于理论分析、结合实验、工程实际经验的一套工程上的方法，较为简单，易掌握，而且实 用。常用的工程整定法有经验法、临界比例度法、衰减曲线法、响应曲线法等等，本设计中 主要是应用Ziegler-Nichols整定方法来整定控制器的参数。参数整定的基本要求如下所述：1、通过整定选择合适的参数，首先要保证系统的稳定，这是最基本的要求。2、 在热工生产过程中，通常要求控制系统有一定的稳定裕度，即要求过程有一定的衰减比， 一般要
3、求 4： 110： 1。3、在保证稳定的前提下，要求控制过程有一定的快速性和准确性。所谓准确性就是要求控 制过程的动态偏差和稳态偏差尽量地小，而快速性就是要求控制时间尽可能地短。总之，以稳定性、快速性、准确性去选择合适的参数。目前工程上应用最广泛的控制是PID控制，这种控制原理简单，使用方便；适应性强；鲁棒性强，其控制品质对被控对象的变化不太敏感。(1) 比例控制(P 控制)：Gc(s)=Kp=1/ S ;(2) 比例积分控制(PI 控制):Gc(s)=Kp(1+1/TiS)=1/ S (1+1/Tis);(3) 比例积分微分控制(PID 控制)：Gc(s)=Kp(1 + 1/Tis+Tds)
4、。Ziegler-Nichols法是一种基于频域设计 PID控制器的方法，根据给定对象的瞬态响应来确定 PID控制器的参数。如果单位阶跃响应曲线看起来是一条S形的曲线，则可用如下传递函数近似：LsC(s) = Ke-R = Ts 1例：如图所示的控制系统:利用延迟时间L、放大系数K、和时间常数T,根据表1中的公式确定Kp、Ti、Td的值（令a =KL/T）控制器类型kpTiTdP1/aOO0PI0.9/ a3L0PID1.2/ a2L0.5L系统的开环传递函数G o(s)=1/(s+1)6，采用Ziegler-Nichols法整定系统P、PI、PID控制器的参数，并绘制系统的阶跃响应曲线。用最
5、小二乘拟合方法求出该传递函数的一阶延迟近似模型，程序如下：fun ctio nK,L,T=getfold(G)y,t=step(G);fun=inline(x(1)*(1-exp(-(t-x(2)/x(3).*(tx(2), x ,t);x=lsqcurvefit(fu n,1 1 1,t,y);K=x(1);L=x(2);T=x(3)；在命令窗口输入：s=tf(s);G=1/(s+1)A6;K,L,T=getfold(G);得出：K=1.0542,L=3.1621,T=3.5147;则系统的一阶延迟模型近似为:Go(S)=1.0542e-3.1621s3.5147s 1继续输入：s=tf(s
6、);G=1/(s+1)A6;K=1.0542;T=3.5147;L=3.1621;a=K*L/T%P控制%PI控制%PID控制Kp=1/aKp=0.9/a,TI=3*LKp=1.2/a,TI=2*L,TD=0.5*L得：a=0.9484Kp=1.0544Kp=0.9489TI=9.4863Kp=1.2652TI=6.3242TD=1.5811则，所设计的控制器模型为：P 控制：Gc(S)=1.0544PI 控制：Gc(S)=0.9489(1+1/9.4863s)PID 控制：Gc(S)=1.2652(1+1/6.3242s+1.5811s)。建立如图所示的 Simulink仿真模型:将Kp值置
7、1，把反馈连线，微分器的输出连线，积分器的输出连线都断开，选定仿真时间, 可得出系统开环的单位阶跃响应曲线：P控制时，将Kp设为1.0544,将反馈连线连上，仿真运行，得到响应曲线:PI控制时，将Kp设为0.9489，TI设为9.4863,将积分器的输出连线连上，仿真运行得出 响应曲线：PID控制时，将 Kp设为1.2652, TI设为6.3242, TD设为1.5811,将微分器的输出连线连 上，运行仿真得出响应曲线：将三种控制下的响应曲线可以看出，P控制和PI控制两者的响应速度基本相同，因为这两种控制的比例系数不同，因此系统稳定的输出值不同，PI控制的超调量比 P控制的要小,PID控制比P
8、控制和PI控制的响应速度快，但是超调量大些。通过变化各项参数的大小可以总结出以下几条基本的PID参数整定规律：1、增大比例系数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，使稳定性变差。2、增大积分时间有利于减小超调，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、增大微分时间有利于加快系统的响应速度，使系统的超调量减小，稳定性增加，但系统 对扰动的抑制能力减弱。三、设计心得体会：通过这次的设计实验，我进一步巩固了书本中所学的单回路控制相关的内容，掌握了有关PID控制的相关知识和内容。同时学会了用Ziegler-Nichols方法整定PID控制器的各种参数, 用Matlab中的Simulink仿真系统求出系统的阶跃响应曲线，收获很大。四、参考文献：1、 控制系统计算机辅助设计一 MATLAB语言与应用（第二版）；薛定宇；清华大学出版社2、 火电厂热工自动控制技术及应用；刘禾 白焰 李新利； 中国电力出版社