計(jì)算機(jī)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng) 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng) 過(guò)程控制實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)日期 2015.6.30 學(xué)生專(zhuān)業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器 學(xué)生學(xué)號(hào) 912101170116 學(xué)生姓名 陳昊飛 實(shí)驗(yàn)室名稱(chēng) 機(jī)械院院辦420 教師姓名 江劍 成 績(jī) 南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)1 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谠O(shè)定值和擾動(dòng)信號(hào)的作用下，過(guò)程控制系統(tǒng)的輸出可由兩條通道來(lái)產(chǎn)生：控制通道：設(shè)定值對(duì)被控變量影響的通道，其作用是抵消擾動(dòng)影響，以使被控變量盡可能快地維持在給定值附近。干擾通道：干擾信號(hào)對(duì)被控變量影響的通道。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制通道和干擾通道的增益、時(shí)間常數(shù)和時(shí)滯的變化，測(cè)試被控對(duì)象特性對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。2、 實(shí)驗(yàn)

2、內(nèi)容(1) 增益對(duì)控制系統(tǒng)的影響假設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為G0(s)=2e-10s/(35s+1),考核系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)作用下，不同控制通道增益下系統(tǒng)的響應(yīng)，運(yùn)行下列matlab語(yǔ)句，觀察響應(yīng)曲線(xiàn)，得出有關(guān)結(jié)論。%研究控制通道增益Kc對(duì)系統(tǒng)的影響G0=tf(2,35 1); % 2/35s+1np,dp=pade(10,2);Gp=tf(np,dp); % e-10sG1=G0*Gp;Kc=1:0.5:2.5; % Kc=1 1.5 2.0 2.5hold onfor i=1:length(Kc)Gc=feedback(Kc(i)*G1,1); step(Gc); %階躍響應(yīng)pause %等鍵

3、盤(pán) end 從圖形可以看出，隨著控制通道增益Kc的增加，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差減少，但系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。（結(jié)論：放大系數(shù)Kc一般希望大一點(diǎn)，Kc大表明操縱量對(duì)被控量校正作用有較大的靈敏度，有利于提高控制質(zhì)量） 假設(shè)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為G0(s)=2e-10s/(35s+1),干擾的傳遞函數(shù)為Gd(s)=2e-5s/(7s+1),則系統(tǒng)在單位階躍擾動(dòng)信號(hào)的作用下，不同擾動(dòng)增益的響應(yīng)曲線(xiàn)可以通過(guò)，運(yùn)行下列matlab語(yǔ)句來(lái)觀察：%研究擾動(dòng)通道增益Kd對(duì)系統(tǒng)的影響G0=tf(1,7 1);np,dp=pade(5,2);Gp1=tf(np,dp);Gd=G0*Gp1;G1=tf(2,35 1);np,dp=pa

4、de(10,2);Gp2=tf(np,dp);Go=G1*Gp2;Kc=1.5;G3=feedback(Go,Kc);G4=Gd*G3;hold onKd=1:4for i=1:length(Kd)G=Kd(i)*G4;step(G); pause %等鍵盤(pán)end 從圖形可以看出，隨著擾動(dòng)通道增益Kd的增加，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差增加，并且擾動(dòng)作用下的輸出響應(yīng)也增加。（結(jié)論：放大系數(shù)Kd愈大，被控制量的超調(diào)量愈大，一般要求Kd愈小愈好）。%研究控制通道時(shí)間常數(shù)T對(duì)系統(tǒng)的影響Kc=1.5;T=25 35 45;hold onfor i=1:length(T)G0=tf(2,T(i) 1);np,dp=p

5、ade(10*T(i)/35,2);Gp=tf(np,dp);G1=G0*Gp;Gc=feedback(Kc*G1,1);step(Gc);pause;end （2）時(shí)間常數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)的影響時(shí)間常數(shù)T是指當(dāng)被控對(duì)象受到階躍輸入信號(hào)作用后，被控量以初始速度變化，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間。時(shí)間常數(shù)T是因?yàn)槲锪匣蚰芰康膫鬟f需要通過(guò)一定的阻力而引起的，反映了被控變量的變化快慢，因此T是對(duì)象的一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)。假設(shè)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為G0(s)=2e-10s/(Ts+1),考核系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)作用下，不同T值（25，35，45）下系統(tǒng)的響應(yīng)，運(yùn)行下列matlab語(yǔ)句，觀察響應(yīng)曲線(xiàn)，得出有關(guān)結(jié)論。 從圖形可

6、以看出，隨著T的變大，系統(tǒng)的振蕩頻率變小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間加長(zhǎng)。（結(jié)論：時(shí)間常數(shù)T小，對(duì)象動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制及時(shí)，有利于克服干擾；但T過(guò)小，會(huì)引起過(guò)渡過(guò)程的振蕩，不利于控制質(zhì)量提高，因此，T應(yīng)適當(dāng)；）設(shè)T0=35，改變擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)Td（10，35，50），觀察擾動(dòng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。4 %研究擾動(dòng)通道不同時(shí)間常數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響 G0=tf(2,35 1);Kc=1.5;G1=feedback(G0,Kc);Td=10 35 50;hold onfor i=1:length(Td)Gd=tf(5,Td(i) 1);G=Gd*G1;step(G);pauseend 系統(tǒng)擾動(dòng)通道的時(shí)間常

7、數(shù)Td越大，擾動(dòng)對(duì)輸出的影響越緩慢，有利于系統(tǒng)克服干擾的影響，提高控制系統(tǒng)質(zhì)量。（結(jié)論：時(shí)間常數(shù)Td愈大，干擾對(duì)被控量的影響愈平緩，時(shí)間常數(shù)Td愈小，干擾對(duì)被控量的影響愈大，因此一般要求Td大一些為好；）（3）時(shí)滯對(duì)控制系統(tǒng)的影響控制通道的時(shí)滯t0時(shí)滯t0指輸出變量的變化落后于輸入變量變化的時(shí)間。滯后的產(chǎn)生是由于介質(zhì)的輸送或熱質(zhì)傳遞需要一段時(shí)間所引起的，時(shí)滯t0也反映了被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。時(shí)滯t0的存在使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，用t0/T0反映系統(tǒng)時(shí)滯的相對(duì)影響，t0/T0>0.2時(shí)，簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)已很難滿(mǎn)足要求，要考慮負(fù)責(zé)方案。試增加t0考察對(duì)曲線(xiàn)的影響。擾動(dòng)通道的時(shí)滯 擾動(dòng)通道的td不會(huì)對(duì)

8、系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，僅僅表示擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的時(shí)間先后對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)沒(méi)有影響。實(shí)驗(yàn)2 比例積分微分控制規(guī)律特性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)通過(guò)比例、積分和微分單獨(dú)的作用及大小的變化，驗(yàn)證比例、積分和微分環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的余差及穩(wěn)定性的影響。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、比例作用 假設(shè)被控系統(tǒng)為Gp(s)=e-50s/(36s+1) r(t)只采用比例控制策略，研究不同Kp值下，閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)：u(t)+y(t)e-50s/(36s+1)Kp 運(yùn)行下列matlab語(yǔ)句，觀察響應(yīng)曲線(xiàn)，得出有關(guān)結(jié)論。%tf函數(shù)：傳遞函數(shù)定義 參數(shù)：分子、分母G0=tf(1,36,1);% pade函數(shù)：參數(shù)1表示e的（-多少s）；參數(shù)

9、2表示用幾階來(lái)逼近np,dp=pade(50,2);G1=tf(np,dp);% GpGp=G0*G1;% P數(shù)組表示不同的Kp值P=0.5,0.7,0.9,1,1.5 ;% hold on表示圖形可以疊加hold on;for i=1:length(P) Gc=feedback(P(i)*Gp,1,-1); %定義反饋結(jié)構(gòu)step(Gc); %求階躍響應(yīng)pause;end 結(jié)論：隨著Kp值的變化，控制系統(tǒng)的余差減少，但振蕩加劇，振蕩周期縮短。2、積分作用假設(shè)被控系統(tǒng)為Gp(s)=e-50s/(36s+1)，只采用積分策略，研究不同的Ki值下，閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)。%研究積分速度對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的影響

10、clearG0=tf(1,36,1);np,dp=pade(50,2);G1=tf(np,dp);Gp=G0*G1;Ki=0.005,0.01,0.015,0.02;hold on;for i=1:length(Ki) Gc=tf(Ki(i),1,0) G=feedback(Gc*Gp,1,-1);step(G);pause;end結(jié)論：積分作用可以消除余差，但增大Ki將會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。3、微分作用 由于微分作用不單獨(dú)采用，所以研究比例微分作用，改變微分時(shí)間常數(shù)Td，觀察系統(tǒng)的閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)。%Td對(duì)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的影響clearG0=tf(1,36,1);np,dp=

11、pade(50,2);G1=tf(np,dp);Gp=G0*G1;Kp=0.8;Td=20:5:35;hold on;for i=1:length(Td) Gc=tf(Kp*Td(i),1,1) G=feedback(Gc*Gp,1); step(G); pause;end結(jié)論：余差存在，隨著Td增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。4、PID算法比較首先介紹一個(gè)函數(shù)：1、零極點(diǎn)增益模型形式G(S)= k(S-Z1)(S-Z2)(S-Zm)/(S-P1)(S-P2)(S-Pn)式中：  k: 系統(tǒng)增益；z1,z2,zm: 系統(tǒng)零點(diǎn)；p1,p2,pn: 系統(tǒng)極點(diǎn)；注：對(duì)實(shí)系數(shù)的傳函模型來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的零

12、極點(diǎn)或者為實(shí)數(shù)，或者以共軛復(fù)數(shù)的形式出現(xiàn)。系統(tǒng)的傳函模型給出以后，可以立即得出系統(tǒng)的零極點(diǎn)模型。2、在MATLAB下的輸入形式在MATLAB里，連續(xù)系統(tǒng)可直接用向量z、p、k構(gòu)成的矢量組【z，p，k】表示系統(tǒng)，即：   k=k;z=z1;z2;zm;p=p1;p2;pn;3、函數(shù)命令zpk( )在MATLAB中，用函數(shù)命令zpk( )來(lái)建立控制系統(tǒng)的零極點(diǎn)增益模型，或者將傳函模型或者狀態(tài)空間模型轉(zhuǎn)換為零極點(diǎn)增益模型。zpk( )函數(shù)命令的調(diào)用格式為：sys = zpk ( z,p,k )  G(S)=6(S+1.9294)(S+0.0353±0.9287

13、i)/(S+0.9567±1.2272i)(S-0.0433±0.6412i)解：k = 6; z = -1.9294;-0.0353+0.9287*i;-0.0353-0.9287*i;p = -0.9567+1.2272*i;-0.9567-1.2272*i;+0.0433+0.6412*i;+0.0433-0.6412*i;G = zpk(z,p,k)假設(shè)系統(tǒng)的模型為Gp=10/(s+1)(s+2)(s+3)(s+4),研究不同調(diào)節(jié)器下閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)。%研究不同調(diào)節(jié)器下閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)。Gp=zpk(,-1;-2;-3;-4,10);hold on;Kp=6.2;

14、% P調(diào)節(jié)Gc=Kp;G1=feedback(Gp*Gc,1);step(G1);pauseKi=1; % P調(diào)節(jié)Gc=tf(Ki,1,0);G2=feedback(Gp*Gc,1);step(G2);pauseKp=5.5;Ti=2.5; % PI調(diào)節(jié)Gc=tf(Kp*1,1/Ti,1,0);G3=feedback(Gp*Gc,1);step(G3);pauseKp=6;Td=0.4; % PD調(diào)節(jié)Gc=tf(Kp*Td,1,1);G4=feedback(Gp*Gc,1);step(G4);pauseKp=7.4;Ti=1.5;Td=0.38; % PID調(diào)節(jié)Gc=tf(Kp*Td,1,1/

15、Ti,1,0);G5=feedback(Gp*Gc,1);step(G5);P調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快，輸出與輸入同步，無(wú)時(shí)間滯后，動(dòng)態(tài)特性好；調(diào)節(jié)結(jié)果不能使被調(diào)參數(shù)完全會(huì)到給定值，而產(chǎn)生余差，Kp越大，控制作用越強(qiáng)，余差最小。PI調(diào)節(jié)可快速抵消干擾的影響，同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除余差，在比例帶不變的情況下，減小積分時(shí)間將使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，振蕩加劇，調(diào)節(jié)過(guò)程加快，振蕩頻率升高。PD調(diào)節(jié)的抗干擾能力很差，且對(duì)于純延遲過(guò)程無(wú)效；大多數(shù)PD控制系統(tǒng)隨微分時(shí)間增大，且穩(wěn)定性提高，但超出某一上限值后系統(tǒng)反而變得不穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)3 數(shù)字PID控制算法的實(shí)現(xiàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)傳遞函數(shù)到離散方程的轉(zhuǎn)換方法。學(xué)習(xí)數(shù)字PID控制算

16、法的編寫(xiě)過(guò)程。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)的PID控制算法采用積分分離的PID算法，假設(shè)被控對(duì)象為具有時(shí)延的慣性環(huán)節(jié)Gp(s)=e-80s/(60s+1)，系統(tǒng)的采樣周期為20s，延遲時(shí)間為4個(gè)采樣周期，則被控對(duì)象被離散化為yout(k)=-den(2)*y(k-1)+num(2)*u(k-5);采用分段積分分離方式，根據(jù)誤差絕對(duì)值的不同采用不同的積分強(qiáng)度。輸入中設(shè)定值r(k)=40，控制器輸出限制在-110，110內(nèi)，運(yùn)行以下語(yǔ)句，比較與普通PID控制的階躍響應(yīng)。% 積分分離式 PID% 采樣時(shí)間ts=20;% 被控對(duì)象離散化sys=tf(1,60,1,'inputdelay',80)

17、; %描述被控對(duì)象dsys=c2d(sys,ts,'zoh'); %進(jìn)行Z變換 num,den=tfdata(dsys,'v');%求Z變換分子分母u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0;y_1=0;y_2=0;y_3=0;error_1=0;error_2=0;ei=0;for k=1:1:200; time(k)=k*ts; % 離散化對(duì)象 yout(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5; %離散化后u與y的關(guān)系 % I separation rin(k)=40; error(k)=rin(k)-yout(k); ei=ei

18、+error(k)*ts; %ei積分項(xiàng) M=2; %通過(guò)在此處改變M取值來(lái)選擇是用普通PID或積分分離PID if M=1 %采用分段積分分離方式 if abs(error(k)>=30&abs(error(k)<=40; beta=0.3; elseif abs(error(k)>=20&abs(error(k)<=30; beta=0.6; elseif abs(error(k)>=10&abs(error(k)<=20; beta=0.9; else beta=1.0; end elseif M=2 %不采用積分分離方式 be

19、ta=1.0; end kp=0.80; ki=0.005; kd=3.0; u(k)=kp*error(k)+kd*(error(k)-error_1)/ts+beta*ki*ei; % 控制器的輸出限制 if u(k)>=110 u(k)=110; end if u(k)<=-110 u(k)=-110; end u_5=u_4;u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k); y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k); error_2=error_1; error_1=error(k); end plot(time,rin,'b'

20、;,time,yout,'r'); xlabel('time(s)');ylabel('rin,yout');比起模擬PID控制器，數(shù)字PID控制器參數(shù)整定中多了一個(gè)采樣周期T的確定，T越小，其控制性能越接近模擬控制器的控制性能。Kp越大，控制作用越強(qiáng)，則余差越小。Kp越小，超調(diào)越小，甚至可以沒(méi)有超調(diào)，但余差很大，調(diào)節(jié)時(shí)間也很長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)4 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟捎脛?dòng)態(tài)特性法對(duì)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行工程整定。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 動(dòng)態(tài)特性法以廣義被控對(duì)象階躍響應(yīng)為依據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求取PID調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)整定值，由Ziegler-Nichols提出。在系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)并處于穩(wěn)定的情況下，給系統(tǒng)輸入