过程控制系统课程设计基于互耦水槽控制的几种PID整定方法的比较研究

过程控制系统课程设计

——基于互耦水槽控制的几种PID整定方法的比较研究

班级：自动化三班 姓名：王 伟 学号：0404020311

一、 课程设计目的：

1、互耦水槽动态系统建模

2、互耦水槽简单反馈控制系统设计

二、 设备及软件：

Coupled tanks laboratory;Matlab;

三、 内容：

⑴、单水槽模型 K

G(s)= ————— T s+1 单水槽有水量 40% 60% 90%

随着单水槽液面的上升，K、T都增大。模型不是固定的，与液面高度有一定关系。

⑵ 、互偶双水槽建模和PID整定

1、互偶双水槽建模

第二个水槽有50%水时，设定输入值为6.5，得到试验数据，在Matlab仿真程序中

运行doublecontrol.m文件。得到一下数据：

K*exp（－Td*s） 建立一阶惯性加滞后环节模型 { G（s）= ———————— } T*s+1 K = 2.6440；T = 252.6000；Td =11；

2.6440* exp(-11*s)

∴ G（s）= ———————— 252.6000 s + 1

K 2.4500 2.7325 3.1550 T 124.4 134.2 154.6 Matlab程序得到的数据综合下表：

响应曲线法整定PI SMC整定PI 稳定边界法整定PI Kp 7.8956 4.3426 12.5 Ki 0.0870 0.0197 0.4718

理想模型与实际模型进行比较在下图中。（附图1）

2、将上表数据带入互偶水槽试验控制器中，将设定值置为5.0，做阶跃响应跟随性能，将数据保存在文件中，调用Matlab程序plotPI.m（附图2）

得到的综合性能指标在下表中：

上升时间(s) 超调量 调整时间(s) 控制器输出信号平滑性 ISE IAE 稳定边界法 90.4000 47.4776% 277.6000 485.9400 1471.7 516.3230 响应曲线法 90.4000 37.9828% 349.6000 434.3110 1249.1 521.9583 SMC法 91.4000 0.1551% （超调可以忽略） 121.6000 164.1055 1012.7 331.1150 ⑶ 、三种PID整定效果比较

上升时间：稳定边界法和响应曲线法、SMC法几乎相等。

超 调 量：稳定边界法最大，响应曲线法其次、SMC最小相等，可以忽略为零。 控制器输出信号平滑性：SMC最好，为164.1055。其次为响应曲线法，最差为稳定边界法。

I S E：SMC法最好，其次为响应曲线法，最差为稳定边界法。

I A E：SMC最小，性能最好，其次为稳定边界法，最差的为响应曲线法；响应曲线法和稳定边界法IAE相差很小。

⑷、 三种PID加干扰比较

将三种PID输入到控制器中，设定值为5.0，等到稳定时加干扰为1.0的固定干扰。观察PID控制抗扰能力。（图形如附图3）

结论：SMC法抗扰性能差，恢复时间长；稳定边界法和响应曲线抗扰能力差不多，恢复时间也差不多。