内蒙古科技大学：《材料成型控制工程基础》课程实验内容及指导大纲（PID调节器的参数整定及其对加热炉炉温控制系统调节质量的影响）

实验一、二 PD调节器的参数整定及其对加热炉炉温控制系 统调节质量的影响 一、开放接收对象 本科生 二、考核方式 成果形式：实验仿真结果 考核方式：现场测试 三、实验目的： PD控制器是工业过程控制中最常用的调节器，具有鲁棒性好和可靠性高等 优点。而PD参数的整定是PD控制器应用的核心问题。采用实验仿真方法来 研究PID参数与系统性能关系，既是控制理论的具体应用，又是确定PD参数 的有效办法。 通过本实验的研究，学生可以将自控理论与实际相结合，提高学生自控理论 应用的能力，并掌握PID控制器在工业实际中的应用方法。 1.了解和观测PID基本控制规律的作用，对系统动态特性和稳态特性及稳 定性的影响。 2.验证调节器各参数Kp,T,Ta)。在调节系统中的功能和对调节质量的影 响。 3.工业加热炉炉温的PID参数整定及炉温调节质量的影响 四、实验内容： 1.分别对系统采取比例(P)、比例微分(PD)小、比例积分(PI)、比例积分微分(PID) 控制规律，通过观察一阶系统和二阶系统的响应曲线，分析系统各性能的 变化情况。 2.观测定值调节系统（扰动作用时）在各调节规律下的响应曲线。 3.观测调节器参数变化对定值调节系统瞬态响应性能指标的影响。 4.最后对工业加热炉炉温（以炉温1000℃为模拟对象）进行相关参数整定， 并观察与分析参数整定对炉温控制系统质量的影响

1 实验一 、二 PID 调节器的参数整定及其对加热炉炉温控制系 统调节质量的影响 一、开放接收对象 本科生 二、考核方式 成果形式： 实验仿真结果 考核方式： 现场测试 三、实验目的: PID 控制器是工业过程控制中最常用的调节器，具有鲁棒性好和可靠性高等 优点。而 PID 参数的整定是 PID 控制器应用的核心问题。采用实验仿真方法来 研究 PID 参数与系统性能关系，既是控制理论的具体应用，又是确定 PID 参数 的有效办法。 通过本实验的研究，学生可以将自控理论与实际相结合，提高学生自控理论 应用的能力，并掌握 PID 控制器在工业实际中的应用方法。 1. 了解和观测 PID 基本控制规律的作用，对系统动态特性和稳态特性及稳 定性的影响。 2. 验证调节器各参数(Kp，Ti，Td), 在调节系统中的功能和对调节质量的影 响。 3. 工业加热炉炉温的 PID 参数整定及炉温调节质量的影响 四、 实验内容: 1.分别对系统采取比例(P)、比例微分(PD)、比例积分(PI)、比例积分微分(PID) 控制规律，通过观察一阶系统和二阶系统的响应曲线，分析系统各性能的 变化情况。 2. 观测定值调节系统（扰动作用时）在各调节规律下的响应曲线。 3. 观测调节器参数变化对定值调节系统瞬态响应性能指标的影响。 4. 最后对工业加热炉炉温（以炉温 1000℃为模拟对象）进行相关参数整定， 并观察与分析参数整定对炉温控制系统质量的影响

五、实验原理： 参考输入量（给定值）作用时，系统连接如图1所示： 图1 扰动信号作用时，系统连接如图2所示： 图2 加热炉炉温一阶和二阶控制系统的SIMULINK实现见图3所示 2点目 → (a)一阶模型

2 五、 实验原理: 参考输入量（给定值）作用时，系统连接如图 1 所示： 图 1 扰动信号作用时，系统连接如图 2 所示： 图 2 加热炉炉温一阶和二阶控制系统的 SIMULINK 实现见图 3 所示。 （a）一阶模型

Tranter Fon (b)二阶模型 图3加热炉炉温控制系统的SIMULINK实现 六.实验步骤： 利用MATLAB中的Simulink仿真软件。 1参考教材，建立如图1所示的实验原理图： 2.将鼠标移到原理图中的PD模块进行双击，出现参数设定对话框，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.单击工具栏中的图标，开始仿真，观测系统的响应曲线，分析系统性 能：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， 分析比例微分控制的作用。 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， 分析比例积分控制的作用。 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，分析比例积分微分控制的作用。 7.参照教材中的步骤，绘出如图2所示的方块图 8.将PID控制器的积分增益和微分增益改为O,对系统进行纯比例控制。不断 修改比例增益，使系统输出的过渡过程曲线的衰减比一4，记下此时的比例 增益值。 9.修改比例增益，使系统输出的过渡过程曲线的衰减比=2，记下此时的比例

3 （b）二阶模型 图 3 加热炉炉温控制系统的 SIMULINK 实现 六. 实验步骤: 利用 MATLAB 中的 Simulink 仿真软件。 l. 参考教材，建立如图 1 所示的实验原理图； 2. 将鼠标移到原理图中的 PID 模块进行双击，出现参数设定对话框，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. 单击工具栏中的 图标，开始仿真，观测系统的响应曲线，分析系统性 能；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， 分析比例微分控制的作用。 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， 分析比例积分控制的作用。 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，分析比例积分微分控制的作用。 7. 参照教材中的步骤，绘出如图 2 所示的方块图; 8. 将 PID 控制器的积分增益和微分增益改为 0，对系统进行纯比例控制。不断 修改比例增益，使系统输出的过渡过程曲线的衰减比 n=4，记下此时的比例 增益值。 9. 修改比例增益，使系统输出的过渡过程曲线的衰减比 n=2，记下此时的比例

增益值。 10.修改比例增益，使系统输出呈临界振荡波形，记下此时的比例增益值。 11.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=2,4,10，记 下此时比例和积分增益。 12.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、 微分控制。不断修改比例、积分、微分增益，使系统输出的过渡过程曲线的 衰减比n=2、4、10记下此时的比例、积分、微分增益值 13.参照图3建立仿真系统，进行加热炉炉温参数整定。一阶炉温控制系统整定 后的温度曲线如图4所示。 仿真PID参数为：Tg=10s,Kp=0.45,T=0.0115,Ta=2.55,=1000℃ 图4加热炉一阶控制系统的仿真响应输出图 现象：系统基本符合工程要求 分析原因：系统的PID控制参数中积分系数T调节基本合理。系统超调量 是15%，满足工程要求（工程要求小于24%）：静差基本消失为零，过渡时间为 280秒也能满足工程要求。 所以由10O0℃的一阶系统仿真图调节可知，一阶模型通过调节可以使加热 炉迅速升温，但是其响应时间较长、超调比较大、静差不容易被消除。 炉温二阶控制系统整定后的温度曲线如图5所示

4 增益值。 10. 修改比例增益，使系统输出呈临界振荡波形,记下此时的比例增益值。 11. 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。 12. 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、 微分控制。不断修改比例、积分、微分增益，使系统输出的过渡过程曲线的 衰减比 n=2、4、10 记下此时的比例、积分、微分增益值。 13. 参照图 3 建立仿真系统，进行加热炉炉温参数整定。一阶炉温控制系统整定 后的温度曲线如图 4 所示。 仿真 PID 参数为：Ts=10s，Kp=0.45，Ti=0.0115，Td=2.55，r=1000℃ 图 4 加热炉一阶控制系统的仿真响应输出图 现象：系统基本符合工程要求。 分析原因：系统的 PID 控制参数中积分系数 Ti 调节基本合理。系统超调量 是 15%，满足工程要求（工程要求小于 24%）；静差基本消失为零，过渡时间为 280 秒也能满足工程要求。 所以由 1000℃的一阶系统仿真图调节可知，一阶模型通过调节可以使加热 炉迅速升温，但是其响应时间较长、超调比较大、静差不容易被消除。 炉温二阶控制系统整定后的温度曲线如图 5 所示

图5加热炉二阶控制系统的仿真响应输出图 现象：系统符合工程要求 分析原因：系统的超调量是6%，符合工程要求（工程要求小于24%）：过 渡过程时间230秒符合工程要求，静差为零。 由1000℃的二阶仿真图调节可知，二阶模型其响应时间较短、超调很小、 静差容易被消除，但是升温速度比较缓慢。 七.思考题： 1.比例微分控制规律对改变系统的性能有什么作用？ 2.比例积分控制规律对改变系统的性能有什么作用？ 3.定值调节系统与随动调节系统其响应曲线有何区别？ 在阶跃响应曲线中定义其时域指标，两种调节系统有什么异同点？ 4.Kp、T及T改变后对系统控制质量的影响？ 5.分析积分作用的强弱，对系统有何影响？ 6.加热炉炉温参数整定的最佳效果是如何实现的？

5 图 5 加热炉二阶控制系统的仿真响应输出图 现象：系统符合工程要求。 分析原因：系统的超调量是 6%，符合工程要求（工程要求小于 24%）；过 渡过程时间 230 秒符合工程要求，静差为零。 由 1000℃的二阶仿真图调节可知，二阶模型其响应时间较短、超调很小、 静差容易被消除，但是升温速度比较缓慢。 七.思考题: 1.比例微分控制规律对改变系统的性能有什么作用？ 2.比例积分控制规律对改变系统的性能有什么作用？ 3. 定值调节系统与随动调节系统其响应曲线有何区别? 在阶跃响应曲线中定义其时域指标，两种调节系统有什么异同点? 4. Kp、Ti 及 Td 改变后对系统控制质量的影响? 5. 分析积分作用的强弱，对系统有何影响？ 6. 加热炉炉温参数整定的最佳效果是如何实现的？