过程控制与自动化仪表PID控制仿真实验
《自动控制原理》自动控制PID实验报告
《自动控制原理》自动控制PID实验报告课程名称自动控制原理实验类型：实验项目名称：自动控制PID一、实验目的和要求1、学习并掌握利用MATLAB 编程平台进行控制系统复数域和频率域仿真的方法。
2、通过仿真实验研究并总结PID 控制规律及参数对系统特性影响的规律。
3、实验研究并总结PID 控制规律及参数对系统根轨迹、频率特性影响的规律，并总结系统特定性能指标下根据根轨迹图、频率响应图选择PID 控制规律和参数的规则。
二、实验内容和原理一）任务设计如图所示系统，进行实验及仿真程序，研究在控制器分别采用比例（P）、比例积分（PI）、比例微分（PD）及比例积分微分（PID）控制规律和控制器参数（Kp、Ki、Kd）不同取值时，控制系统根轨迹和阶跃响应的变化，总结pid 控制规律及参数变化对系统性能、系统根轨迹、系统阶跃响应影响的规律。
具体实验容如下：1、比例（P）控制，设计参数Kp 使得系统处于过阻尼、临界阻尼、欠阻尼三种状态，并在根轨迹图上选择三种阻尼情况的Kp 值，同时绘制对应的阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 的变化情况。
总结比例（P）控制的规律。
2、比例积分（PI）控制，设计参数Kp、Ki 使得由控制器引入的开环零点分别处于：1）被控对象两个极点的左侧；2）被控对象两个极点之间；3）被控对象两个极点的右侧（不进入右半平面）。
分别绘制三种情况下的根轨迹图，在根轨迹图上确定主导极点及控制器的相应参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 和Ki 的变化情况。
总结比例积分（PI）控制的规律。
3、比例微分（PD）控制，设计参数Kp、Kd 使得由控制器引入的开环零点分别处于：1）被控对象两个极点的左侧；2）被控对象两个极点之间；66 3）被控对象两个极点的右侧（不进入右半平面）。
分别绘制三种情况下的根轨迹图，在根轨迹图上确定控制器的相应参数；通过绘制对应的系统阶跃响应曲线，确定三种情况下系统性能指标随参数Kp 和Kd 的变化情况。
PID仿真实验报告
PID仿真实验报告PID控制是一种经典的控制方法，被广泛应用于工业自动化控制系统中。
本次实验主要针对PID控制器的参数调整方法进行仿真研究。
实验目的：1.研究PID控制器的工作原理；2.了解PID参数调整的方法；3.通过仿真实验比较不同PID参数对系统控制性能的影响。
实验原理：PID控制器由比例（P）、积分（I）、微分（D）三个控制部分组成。
比例控制：输出与误差成比例，用来修正系统集成误差；积分控制：输出与误差的积分关系成比例，用来修正系统持续存在的静态误差；微分控制：输出与误差变化率成比例，用来修正系统的瞬态过程。
PID参数调整方法有很多种，常见的有经验法、Ziegler-Nichols法和优化算法等。
实验中我们使用经验法进行调整，根据系统特性来进行手动参数调整。
实验装置与步骤：实验装置：MATLAB/Simulink软件、PID控制器模型、被控对象模型。
实验步骤：1. 在Simulink中建立PID控制器模型和被控对象模型；2.设定PID控制器的初始参数；3.运行仿真模型，并记录系统的响应曲线；4.根据系统响应曲线，手动调整PID参数；5.重复第3步和第4步，直到系统的响应满足要求。
实验结果与分析：从图中可以看出，系统的响应曲线中存在较大的超调量和震荡，说明初始的PID参数对系统控制性能影响较大。
从图中可以看出，系统的响应曲线较为平稳，没有出现明显的超调和震荡。
说明手动调整后的PID参数能够使系统达到较好的控制效果。
总结与结论：通过本次实验，我们对PID控制器的参数调整方法进行了研究。
通过手动调整PID参数，我们能够改善系统的控制性能，提高系统的响应速度和稳定性。
这为工业自动化控制系统的设计和优化提供了参考。
需要注意的是，PID参数的调整是一个复杂的工作，需要结合具体的控制对象和要求进行综合考虑。
而且，不同的参数调整方法可能适用于不同的控制对象和场景。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的参数调整方法，并进行实验验证。
学生--PID控制MATLAB仿真实验
计算机控制技术实验指导书（MATLAB版）机电学院杨蜀秦编2012-11-19实验一 连续系统的模拟PID 仿真一、基本的PID 控制 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID 控制。
模拟PID 控制系统原理框图如图1-1所示。
图1-1 模拟PID 控制系统原理框图PID 控制规律为：⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=⎰dt t de T dt t e T t e k t u DtI p )()(1)()(0或写成传递函数的形式⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++==s T s T k s E s U s G D I p 11)()()( Ex1 以二阶线性传递函数ss 251332+为被控对象，进行模拟PID 控制。
输入信号)2.0*2sin()(t t r π=，仿真时取3,1,60===d i p k k k ，采用ODE45迭代方法，仿真时间10s 。
仿真方法一：在Simulink 下进行仿真，PID 控制由Simulink Extras 节点中的PID Controller 提供。
仿真程序：ex1_1.mdl ，如图1-2所示。
图1-2 连续系统PID 的Simulink 仿真程序连续系统的模拟PID 控制正弦响应结果如图1-3所示。
图1-3 连续系统的模拟PID 控制正弦响应仿真方法二：在仿真一的基础上，将仿真结果输出到工作空间中，并利用m 文件作图。
仿真程序：ex1_2.mdl ，程序中同时采用了传递函数的另一种表达方式，即状态方程的形式，其中[]0,01,1330,25010==⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=D C B A ，如图1-4所示。
m 文件作图程序：ex1_2plot.mclose all ;plot(t,rin,'k',t,yout,'k'); xlabel('time(s)'); ylabel('r,y');二、线性时变系统的PID 控制 Ex2 设被控对象为Jss Ks G +=2)(，其中)2sin(300400),6sin(1020t K t J ππ+=+=，输入信号为)2sin(5.0t π。
过控仿真实验
《过程控制与自动化仪表》仿真实验实验一：自衡单容过程的阶跃响应 一、实验目的1. 熟悉MATLAB 软件的操作过程2. 了解自衡单容过程的阶跃响应过程3. 得出自衡单容过程的单位阶跃响应曲线二、实验内容已知两个自衡单容过程的模型分别为2()21G s s =+和52()21sG s e s -=+，试在Simulink 中建立模型，并求单位阶跃响应曲线。
三、实验步骤1. 在Simulink 中建立模型，得出实验原理图。
如下图：2. 运行模型后，双击Scope ，得到的单位阶跃响应曲线。
实验二：自衡双容过程的阶跃响应 一、实验目的1. 了解自衡双容过程的阶跃响应过程2. 得出自衡双容过程的单位阶跃响应曲线3. 对比自衡过程和无自衡过程的响应曲线二、实验内容已知两个双容过程的模型分别为1()(21)(1)G s s s =++（双容有自衡能力过程）和1()(21)G s s s =+（双容无自衡能力过程），试在Simulink 中建立模型，并求单位阶跃响应曲线。
三、实验步骤1. 在Simulink 中建立模型，得出实验原理图。
如下图：2. 运行模型后，双击Scope ，得到的单位阶跃响应曲线。
实验三：比例调节及其对系统性能的影响 一、实验目的1. 了解比例调节的作用2. 了解比例调节强弱对系统性能的影响二、实验内容已知控制系统如下图所示，其中01()(1)(21)(51)G s s s s =+++，H(s)为单位反馈，且在第二个和第三个环节（即1(21)s +和1(51)s +）之间有累加的扰动输入（在5秒时幅值为0.2的阶跃扰动）。
对系统采用比例控制，比例系数分别为0.8,2.4,3.5p K =，试利用Simulink 求各比例系数下系统的单位阶跃响应曲线。
三、实验步骤1. 在Simulink 中建立模型如下图：2. 运行模型后，双击Scope，得到的单位阶跃响应曲线。
3.置阶跃输入为0，在5秒时，加入幅值为0.2的阶跃扰动，得到扰动响应曲线。
PID控制器仿真实验报告
上海商学院信息与计算机学院
物联网工程专业实验报告
四、实验步骤与结果
分析控制器的参数对系统静态误差设被控对象等效传递函数为：G(s)=1
s(s+1)(s+5)
的影响，执行如下程序：
屏幕中得到该系统传递函数的根轨迹图：
当开环增益小于约32.2时，系统处于稳定状态。
由图中可知原系统在临界稳定状态时，取K’=30，P’=2π/w c=2π/2.3≈2.73 利用等幅震荡整定法，可以确定控制器对应的参数
控制器类型等幅震荡整定
P K=0.5K’
PI K=0.45K’,T=0.833P
PID K=0.6K’,T=0.5P’,T’=0.125P’得到没有加PID控制时原系统及添加PID控制器后系统的阶跃响应其中参数
K=0.6*30=18
T=0.5P’=0.5*2.73=1.365
T’=0.125P’=0.125*2.73=0.34125
执行如下图所示程序：
屏幕呈现图像：
五、思考与练习
我们用MATLAB对PID控制器进行一次仿真，进入Simulink，按下图显示将PID Controller，Scope，Step，Sum，TransferFon添加到模型编辑区域并连接：
此时的sum反馈的符号是一个+，也就是说这是一个正反馈，但是我们PID一般都是负反馈，所以需要改一下反馈的符号。
双击sum切换到sum的属性对话框，将List of signs由++改为--，则下面的+会变成减。
执行，打开Scope查看PID输出波形如下图：
我们也可以打开PID控制器，调整参数：
调整之后图像也有所变化：
六、心得体会。
《计算机控制技术》数字PID控制器设计与仿真实验报告
《计算机控制技术》数字PID控制器设计与仿真实验报告课程名称：计算机控制技术实验实验类型：设计型实验项目名称：数字PID控制器设计与仿真一、实验目的和要求1. 学习并掌握数字PID以及积分分离PID控制算法的设计原理及应用。
2. 学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。
二、实验内容和原理图3-1图3-1是一个典型的 PID 闭环控制系统方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如图1-2所示。
图3-2中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在模拟实验平台上的运放单元搭接。
图3-2上图中，ADC1为模拟输入，DAC1为模拟输出，“DIN0”是C8051F管脚 P1.4，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。
这里，系统误差信号E通过模数转换“ADC1”端输入，控制机的定时器作为基准时钟(初始化为10ms)，定时采集“ADC1”端的信号，得到信号E的数字量，并进行PID计算，得到相应的控制量，再把控制量送到控制计算机及其接口单元，由“DAC1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。
本实验中，采用位置式PID算式。
在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，以及系统有惯性和滞后，因此在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。
为此，可采用积分分离法PID控制算法，即：当误差e(k)较大时，取消积分作用；当误差e(k)较小时才将积分作用加入。
图3-3是积分分离法PID控制实验的参考程序流程图。
图3-3三、主要仪器设备计算机、模拟电气实验箱四、操作方法与实验步骤1.按照图3-2搭建实验仿真平台。
2.确定系统的采样周期以及积分分离值。
3.参考给出的流程图编写实验程序，将积分分离值设为最大值0x7F，编译、链接。
4.点击，使系统进入调试模式，点击，使系统开始运行，用示波器分别观测输入端R以及输出端C。
5.如果系统性能不满意，用凑试法修改PID参数，再重复步骤3和4，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。
PID自动控制系统参数整定实验报告
T13. PID自动控制系统参数整定（化工仪表与自动化，指导教师：卢红梅）实验一：一阶单容上水箱对象特性测试实验实验二：上水箱液位PID整定实验一、实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
3）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
4）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
5）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
6）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
二、实验设备THKJ100-1型过程控制实验装置配置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。
型参数为串联釜数N三、实验原理实验一原理：阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过控制器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。
同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
实验二原理：图13.1单回路上水箱液位控制系统图13.1为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。
当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
自动化仪表与过程控制实验指导书
扰动 设定值 上水箱 电动阀 e
调节器 反馈值 上水箱 液位变送器 图1-2 五、实验步骤 1、按附图单容液位控制实验接线图接好实验导线和通讯线。
2、将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连 接。 3、将手动阀门1V1、1V10、V4、V5打开，其余阀门全部关闭。 4、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源， 再打开仪表电源。 5、整定参数值的计算 设定适当的控制参数使过渡过程的衰减比为4：1，整定参数 值可按下列“阶跃反应曲线整定参数表”。 表1 阶跃反应曲线整定参数表
再打开仪表电源。 5、设置智能调节器参数（可在仪表上直接设置，也可在计算机 上设置），其需要设置的参数如下：（未列出者用出厂默认值） （1）主调节器 SV=20 （参考值） dF=0.3 （参考值） CtrL=1 P=30 （参考值） I=60 （参考值） d=0 （参考值） Sn=33 Dip=2 （参考值） dIL=0 dIH=50 OP1=4 OPL=0 OPH=100 CF=0 Addr=2 run=1 （2）副调节器 dF=0.3 （参考值） CtrL=1 P=36 （参考值） I=15 （参考值） d=0 （参考值） Sn=32 Dip=1 （参考值） dIL=0 dIH=800 OP1=4 OPL=0 OPH=100 CF=8 Addr=1 run=1 具体请详细阅读调节器使用手册
dHAL=9999 dlAL=9999 dF=0.5 （参考值） Ctrl=0 Sn=33 Dip=1 （参考值） dIL=0 dIH=50 Alp=2 OP1＝0 具体请详细阅读调节器使用手册 5、在控制板上打开水泵1、位控干扰。 6、在信号板上打开上水箱输出信号。 六、 思考建议 在什么样的情况下适合采用位式控制。
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过程控制与自动化仪表 PID控制仿真实验
1. 设有一温度控制系统，温度测量范围是 0 ~ 600℃，温度采用PID 控制，控制指标为 450±2℃。
已知比例系数K 4 ,积分时间T 60 s ，微分时间T 5s，
P I D
采样周期T 5s 。
当测量值c(n) 448，c(n 1) 449 ，c(n 2) 442 时，计算
增量输出u(n)。
若u (n 1) 1860 ，计算第 n 次阀位输出u (n)。
2. 下图为锅炉液位的控制方案，说明什么是被控变量、控制变量和干扰？请分析控制过程。
解：由图知，被控量是锅炉液位高度，控制变量是给水量的大小，干扰是释放的
蒸汽量。
控制过程：由液位变送器LT监控液位高度，当实际液位低于设定水位高度，液位控制器LC加大给水量，使得水流量增加，液位高度上升，直到接近设定水位高度；当实际液位高于设定水位，液位控制器LC减小给水量，使得水流量减少，从而使锅炉液位高度下降，接近设定水位高度。
3. 建立如下所示 Simulink 仿真系统图。
利用 Simulink 仿真软件进行如下操作：
1. 建立如图所示的 Simulink 原理图。
2. 双击原理图中的 PID 模块，浮现参数设定对话框，将 PID 控制器的积分增益和微分增益改为 0，使其具有比例调节功能，对系统进行纯比例控制。
3. 进行仿真，观测系统的响应曲线，分析系统性能；然后调整比例增益，观察响应曲线的变化，分析系统性能的变化。
4. 重复(步骤 2,3)，将控制器的功能改为比例微分控制，观测系统的响应曲线，分析比例微分的作用。
5. 重复(步骤 2,3)，将控制器的功能改为比例积分控制，观测系统的响应曲线，分析比例积分的作用。
6. 重复(步骤 2,3)，将控制器的功能改为比例积分微分控制，观测系统的响应曲线，分析比例积分微分的作用。
7. 将 PID 控制器的积分微分增益改为 0，对系统进行纯比例控制。
不断修改比例增益，使系统输出的过度过程曲线的衰减比 n=4，记下此时的比例增益值。
8. 修改比例增益，使系统输出的过度过程曲线的衰减比 n=2，记下此时的比例增益值。
9. 修改比例增益，使系统输出呈现临界振荡波形，记下此时的比例增益。
10.将 PID 控制器的比例、积分增益进行修改，对系统进行比例积分控制。
不断修改比例、积分增益，使系统输出的过渡过程曲线的衰减比 n=2,4,10，记下此时比例和积分增益。
11.将 PID 控制器的比例、积分、微分增益进行修改，对系统进行比例积分控制。
不断修改比例、积分、微分增益，使系统输出的过度过程曲线的衰减比
n=2,4,10，记下此时比例、积分、微分增益。
12.写出结果分析报告。
解： 1、建立仿真原理图
2、调 PID 参数，使其为纯比例控制。
3、纯比例控制( K =1、5、10 ，K =K =0 ) P
I D
K =1
P
图中黄色曲线为阶跃输入曲线，蓝色为输出响应曲线，可知此时系统无超调，稳态误差大。
K =5
P
K =10
P
由以上三组响应曲线可以看出，纯比例控制对系统性能的影响为：
当 Kp 较小的时候，输出的超调量较小，振荡不明显，振荡频率较小，但余差较大，调节时间也较大；当 Kp 较大时，超调量也增大，振荡加剧，振荡频率增大，余差减小，调节时间也减小。
但系统余差始终不为零。
结论:比例环节能降低余差并提高系统速度，且为有差调节。
Kp 越大，系统的稳态误差越小，调节时间越小，提高了响应的速度，但超调量也越大，振荡加剧，系统稳定性降低。
4、比例微分控制
KP=5,KD=1，KI=0.
KP=5,KD=5,KI=0.
可知:当 KD 较小的时候，输出的超调量较大，振荡频率较大，调节时间也较大:当 KD 较大时，超调量减小，振荡频率减小，调节时间也减小。
此外，不管 Kd 取多大，稳态误差都存在，不为零。
结论:微分环节能加快系统的响应速度，降低超调量，并能抑制振荡，改善了系统的动态性能。
但微分环节与比例环节均不能使系统的稳态误差为零。
5、比例积分控制
KP=KI=1，KD=0.
KP=2，KI=1，KD=0.
KP=1，KI=2，KD=0.
KP=1，KI=5，KD=0.
可知:加入积分环节后，与纯比例环节或者比例微分环节相比调节时间增大，但稳态误差为零:随 Ki 的增大，超调量与调节时间均增大，且当 Ki 大于一定值时
系统变为发散振荡，趋于不稳定。
.
结论:积分环节能使系统的稳态误差为零，但降低系统的响应速度，降低其
稳定性。
6、PID 控制
KP=1，KI=1，KD=1.
KP=3，KI=1，KD=1.
KP=3，KI=2，KD=4.
KP=3，KI=5，KD=4.
可知:比例环节提速，积分环节使稳态误差为零，微分环节改善动态性能。
结论:采用比例积分微分环节后，即利用了比例微分环节的快速性，加快系统响应，又能使系统的稳态误差为零，调节效果较好。
7、KI=KD=0,n=4.
经过不断验证，当 KP=1.6 时
系统平衡于 0.615
第一个波峰峰值为 0.914
第二个波峰峰值为 0.689 KP=1.6，求得 n=4.04 ≈4 符合要求。
8、KI=KD=0,使衰减比 n=2.
经验算，当 KP=7 时， n=2.
系统稳定时趋于 0.875.
第一个波峰峰值为
1.4195
第二个波峰峰值为 1.1375 经计算得n≈2，此时 KP=7。
9、临界震荡波形
当 KP=100 时
10、比例积分控制，使 n=2，4，10.
①、当 KP=2，KI=0.6 时 n=2
②当 KP=2.9, KI=0.42 时， n=4
③当 KP=1.23, KI=0.02 时，n=10
11、PID 控制，使 n=2，4，10
①当 KP=6,KI=4,KD=1 时， n=2.
②当 KP=5.9,KI=1,KD=0.5 时， n=4.
③当 KP=4.9,KI=0.1,KD=0.1 时， n=10.
12、结果分析
分析各个控制的优缺点：
比例环节能降低余差并提高系统速度，且为有差调节。
Kp 越大，系统的稳态误差越小，调节时间越小，提高了响应的速度，但超调量也越大，振荡加剧，系统稳定性降低。
微分环节能加快系统的响应速度，降低超调量，并能抑制振荡，改善了系统的动态性能。
但微分对静态偏差毫无控制能力，微分环节与比例环节均不能使系统的稳态误差为零。
积分环节能使系统的稳态误差为零，消除余差，但降低系统的响应速度，降低其稳定性。
比例积分控制( PI )既能控制及时，又能消除余差。
比例微分控制(PD)在引入适当的微分动作后，可以减小残差，而且减小了短期最大偏差和提高了振荡频率，但 PD 调节器的抗干扰能力很差，因此引入微分动作要适度。
PID 控制中，比例作用是基础控制；微分作用是用于加快系统控制速度；积分作用是用于消除静差。