控制系統(tǒng)開發(fā)

1、J I A N G S U U N I V E R S I T Y控制系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計(jì)與仿真報告任課老師： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 2017年6月本學(xué)期學(xué)習(xí)了控制系統(tǒng)開發(fā)、設(shè)計(jì)與仿真課程，主要講述了控制系統(tǒng)的整體概念，包括控制系統(tǒng)的反正分析、MATLAB/simulink的介紹以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆系統(tǒng)。MATLAB/simulink在我們平時可言中是一個重要的學(xué)習(xí)工具，方程的編寫、數(shù)據(jù)的采集以及仿真基本上都可以由它來完成，相比較其他工具具有很大的優(yōu)勢，例如：高效的數(shù)值計(jì)算及符號計(jì)算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來； 具有完備的圖形處理功能,實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化；友好的用戶

2、界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握；功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等),為用戶提供了大量方便實(shí)用的處理工具。  本課程老師為我們講解了控制系統(tǒng)的模型以及仿真實(shí)例、線性系統(tǒng)仿真分析方法、非線性控制系統(tǒng)仿真方法，從系統(tǒng)的模型開始，建立模擬以及狀態(tài)方程，再對模型進(jìn)行MATLAB編程等，受益匪淺。 控制對象共分為單容和多容對象，其平衡特性分為自衡和非自衡以及滯后等過程，這里主要對單容和多容在自衡和非自衡的條件下進(jìn)行研究。單容自衡系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：K值的改變只影響系統(tǒng)的最終幅值，而與系統(tǒng)的特性無關(guān)。K值越大，系統(tǒng)的最終穩(wěn)定值越高。改變T值： 實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 可

3、以看出，在相同的階躍輸入作用下，時間常數(shù)越大，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時間越長。單容非自衡系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：T值越大，系統(tǒng)上升的速度越慢。多容自衡系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：多容非自衡系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：自衡系統(tǒng)最終會達(dá)到穩(wěn)定，T值的不同，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時間也不同。非自衡系統(tǒng)不會達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。（1） 對單回路控制系統(tǒng)的四個部分進(jìn)行詳細(xì)仿真；執(zhí)行器：由圖像可以看出，時間常數(shù)較小的執(zhí)行器對偏差變化的響應(yīng)速度較快，并且不會產(chǎn)生較大的超調(diào)。被控對象：被控對象參數(shù)設(shè)定不同，系統(tǒng)響應(yīng)的曲線也不同。檢測變送：設(shè)定檢測變送環(huán)節(jié)的比例系數(shù)，由圖像可知，系統(tǒng)輸出與變送器的比例系數(shù)成反比。（2） 深入理解PID控制的原理；比例、積分、微分

4、控制簡稱PID（Propotional-Integrate-Differential）控制，它是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的控制算法。PID控制具有原理簡單、適應(yīng)性強(qiáng)、控制效果好的特點(diǎn)。理想的模擬式PID控制算法為（3）式中Kp比例放大系數(shù)；Ti積分時間常數(shù)；Td微分時間常數(shù)。理想PID控制器的傳遞函數(shù)為（4） 掌握PID三個參數(shù)對控制系統(tǒng)性能的影響；P作用的輸出與偏差成比例，稱為比例控制作用。特點(diǎn)：比例調(diào)節(jié)對系統(tǒng)的干擾有及時而有力的抑制作用； 比例調(diào)節(jié)存在余差，不能做無靜差調(diào)節(jié)； 隨著比例增益的增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。I作用的輸出與偏差的積分成比例，稱為積分控制作用。特點(diǎn)：只要被控量存在偏差，積分

5、輸出就會隨時間不斷增加，當(dāng)偏差為零時，控制器才會停止積分，保持一定的輸出值不變； 積分控制使過渡過程的動作遲緩，動態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時間延長，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。 D作用的輸出與偏差的微分成比例，稱為微分控制作用。特點(diǎn)：微分作用反映系統(tǒng)偏差的變化率，能預(yù)見偏差變化趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用； 在穩(wěn)態(tài)時微分部分輸出為零，因此D作用不能消除穩(wěn)態(tài)誤差； 微分對噪聲信號有放大作用，因此過強(qiáng)的微分作用對系統(tǒng)抗擾性能不利； 對于大時滯系統(tǒng)，微分控制不能改善系統(tǒng)品質(zhì)。 P控制： 分別取K的值為5、10、15由曲線可知，比例調(diào)節(jié)存在穩(wěn)態(tài)誤差。PI控制：取K=10，I=5、10、15由圖像可以看出，隨著積

6、分時間常數(shù)減小，積分作用增強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，振蕩加劇，調(diào)節(jié)時間也明顯變大。而積分時間常數(shù)如果太大，積分作用太小，系統(tǒng)需要很長的過渡過程才能消除穩(wěn)態(tài)誤差。PID控制：由圖像可以看出，隨著微分時間常數(shù)增大，微分作用增強(qiáng)，系統(tǒng)的過渡過程變得平緩，超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時間也明顯降低。但加入微分作用要適當(dāng)，過大或過小的微分作用都會使系統(tǒng)的性能下降。（5） 深入理解根軌跡法的基本原理；（6） 掌握根軌跡的繪制方法、增益的選擇、穩(wěn)態(tài)誤差的消除措施等；增益 rlocfind深入理解頻域響應(yīng)法的基本原理；（7） 掌握Bode圖的繪制方法、帶寬頻率的選擇；控制系統(tǒng)中的信號可以表示為不同頻率正弦信號的合成?？刂葡到y(tǒng)的

7、頻率特性反映正弦信號作用下系統(tǒng)響應(yīng)的性能。應(yīng)用頻率特性研究線性系統(tǒng)的經(jīng)典方法稱為頻域分析法。令傳遞函數(shù)中的，得到系統(tǒng)頻率特性頻率特性主要有三種表示方法：Nyquist曲線、Bode圖、Nichols圖。（8） 基于Bode圖法調(diào)整控制系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)方法；（9） 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與單回路比較；一次干擾下：串級系統(tǒng)對一次擾動的抗擾能力與單回路系統(tǒng)相差不大，其原因是副回路對一次擾動不起作用，不能提高對一次擾動的響應(yīng)頻率。串級控制系統(tǒng)改善了對象的動態(tài)特性，減小了被控對象的等效時間常數(shù)；大大增強(qiáng)了對二次擾動的克服能力；對一次擾動有較好的克服能力；對副回路參數(shù)變化具有一定的自適應(yīng)能力。（10

8、） 前饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與單回路比較；由圖像對比可知，采用前饋補(bǔ)償作用后，對單一可測不可控擾動的克服能力大大加強(qiáng)。上述系統(tǒng)實(shí)際為前饋、反饋復(fù)合控制系統(tǒng)，由前饋控制對可測擾動進(jìn)行補(bǔ)償，由反饋控制消除其他擾動帶來的影響，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。前饋控制也存在著很大的局限性：完全補(bǔ)償難以實(shí)現(xiàn)、只能克服可測不可控的擾動等，因此前饋控制不宜單獨(dú)使用，往往結(jié)合反饋系統(tǒng)、串級系統(tǒng)使用。由于參數(shù)選擇上一些問題，前饋的曲線沒有產(chǎn)生直線補(bǔ)償。（11） 其它控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與單回路比較；比值：（12） 數(shù)字PID控制算法的實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)一 被控對象的實(shí)驗(yàn)建模一、設(shè)計(jì)要求1.了解水槽控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成；本次課程

9、設(shè)計(jì)采用的水槽控制系統(tǒng)為單回路控制系統(tǒng)，被控對象為單容自衡過程，被控變量為水槽中的液位，控制變量為水槽入水口流量，變送器采用差壓變送器測量液位高度，執(zhí)行器采用電動調(diào)節(jié)閥，控制器采用Honeywell數(shù)字調(diào)節(jié)器。結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：2. 掌握響應(yīng)曲線法建立數(shù)學(xué)模型 采用響應(yīng)曲線法對被控過程進(jìn)行建模?？紤]過程控制系統(tǒng)的復(fù)雜性（慣性時間常數(shù)大、純滯后大、非線性明顯），在這里將被控對象、變送器和執(zhí)行器作為廣義對象進(jìn)行整體建模，不再考慮每個部分單獨(dú)存在時的數(shù)學(xué)模型。實(shí)驗(yàn)中，待水槽中液位穩(wěn)定后，使電動調(diào)節(jié)閥開度作階躍變化，幅度為最大開度的10%，測定系統(tǒng)輸出量隨時間而變化的曲線，即得階躍響應(yīng)曲線。為減少干擾

10、對建模過程的影響，需多次重復(fù)測試，并且要分別測得施加正、反方向的階躍信號時系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線。3. 熟悉Honeywell數(shù)字調(diào)節(jié)器的用法及調(diào)試Honeywell UDC3300數(shù)字調(diào)節(jié)器（以下簡稱調(diào)節(jié)器）功能十分強(qiáng)大，在這里僅介紹與本次課程設(shè)計(jì)相關(guān)部分的使用方法。調(diào)節(jié)器有兩種操作模式：手動（MAN）、自動（A）。手動模式下可以直接控制調(diào)節(jié)閥的相對開度（0100%），自動模式下可以設(shè)定PID參數(shù)及給定值。設(shè)置步驟如下：在顯示模式下按SET UP鍵，再按FUCTION LOOP 1/2鍵進(jìn)入PID參數(shù)設(shè)置，首先設(shè)置比例帶PROP BD OR GAIN，范圍為0.1%9999%，按上下鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)

11、置好后再次按下FUCTION LOOP 1/2鍵設(shè)置微分時間常數(shù)RATE MIN，范圍為0.0010.00min，再次按下FUCTION LOOP 1/2鍵設(shè)置積分時間常數(shù)，范圍為0.0250.00min，至些參數(shù)設(shè)置完畢，按下LOWER DISPLAY鍵切換回顯示模式。4. 對整個水槽控制系統(tǒng)有一個整體了解 被控對象：本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的被控對象是二個水槽。可構(gòu)成一階對象和二階對象。執(zhí)行器：Honeywell ML7420電動調(diào)節(jié)閥，連接線性閥。從開度0變化至100%的過渡時間為60秒，2-10V輸入信號，2-10V位置反饋信號（本次課程設(shè)計(jì)未對閥門開度進(jìn)行反饋控制，閥門開度的控制為開環(huán)控制）。控制

12、器：采用Honeywell UDC3300通用數(shù)字式控制器?？刂破鬏敵鲂盘枮榉侄芜B續(xù)模擬信號，周期約為0.2秒。變送器：DBC型電動差壓變送器。本儀表在測量和自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中作檢測環(huán)節(jié)，與節(jié)流裝置配合可連續(xù)可以測量兩個不同比重液體的界面，并將被檢測量的變化轉(zhuǎn)變成為4-20mADC，統(tǒng)一電流信號輸出。測得A/D轉(zhuǎn)換單元的采樣周期約為1秒。5. 單回路控制系統(tǒng)的最佳參數(shù)的計(jì)算方法可以采用前面敘述的圖解法確定參數(shù)，為保證精度，本次課程設(shè)計(jì)采用計(jì)算法確定一階環(huán)節(jié)的特性參數(shù)。（1）求靜態(tài)放大系數(shù)（無量綱）（2） 求時間常數(shù)先將階躍響應(yīng)曲線標(biāo)準(zhǔn)化，得相對值 ，在標(biāo)準(zhǔn)化曲線上找到0.632與0.33所對應(yīng)的時

13、間與，則時間常數(shù) 。（3） 求純滯后時間方法與前面的圖解法相同。 最后得到廣義對象的開環(huán)傳遞函數(shù) 。二、設(shè)計(jì)步驟1.設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)接線圖，聯(lián)接導(dǎo)線。記錄儀參數(shù)設(shè)置：首先調(diào)整好記錄儀零點(diǎn)；設(shè)置量程為：10v；設(shè)置走紙速度：12mm/min。注：兩個電阻均為500將4-20mA電流信號轉(zhuǎn)換為2-10V電壓信號。電路接線示意圖如下圖所示：2.給儀器上電，打開水泵，同時緩慢打開管道上的閥門。3.把調(diào)節(jié)器調(diào)至手動狀態(tài)，調(diào)節(jié)電動閥開度至一定開度，等待液位穩(wěn)定。4.打開記錄儀開始記錄，當(dāng)液位穩(wěn)定后，突然改變調(diào)節(jié)器的輸出，使調(diào)節(jié)閥的開 度突然增加10%。5.用記錄儀記錄下液位的變化情況，直到液位穩(wěn)定。6.重復(fù)步

14、驟3到6，得到同一工作點(diǎn)的另一組階躍響應(yīng)曲線。7.用得到的四條階躍響應(yīng)曲線計(jì)算出一階水槽的數(shù)學(xué)模型。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 不得不遺憾的說，本次實(shí)驗(yàn)我們沒有取得一條很好的結(jié)果，所得出的曲線不是直線，就是有問題的曲線。在實(shí)驗(yàn)中，我們遇到了很多的問題，比如說，我們的液位為什么總是達(dá)不到預(yù)設(shè)的穩(wěn)定值，閥門開度在突然改變時，為什么不工作，導(dǎo)致曲線總是出現(xiàn)震蕩的結(jié)果，還有就是所得出的曲線為什么不是所預(yù)想的一階慣性曲線，等等，這些問題導(dǎo)致了我們的曲線沒有一條是符合要求的?；貋碇?，我們經(jīng)過了深刻的分析，我們覺得，導(dǎo)致這么多問題的第一個原因，是我們剛開始工作點(diǎn)選擇的問題，我們剛開始將閥門開度設(shè)為15%，等待液位穩(wěn)定后

15、，再加10%的開度，由15%到25%，所得出的曲線是一條直線。但是，在接下來的實(shí)驗(yàn)中，我們改變了起始工作點(diǎn)，但是由于操作的原因，導(dǎo)致記錄儀的走紙速度在一段時間內(nèi)為0，這也導(dǎo)致了我們唯一的比較好的曲線也不能用了?？偠灾瑢?shí)驗(yàn)的失敗，有很多的因素，大部分是由于我們的操作的不當(dāng)，正所謂，吃一塹長一智，有失敗，才會吸取教訓(xùn)，找到自己的不足，繼而加以改正，在以后的工作學(xué)習(xí)中才能取得更好的成績。下面是我們幾組的失敗案例，以及一組經(jīng)過初略還原之后的一階慣性階躍曲線。 設(shè)計(jì)二 一階單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定一、設(shè)計(jì)要求1.熟悉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，了解各儀表的功能及有關(guān)操作（略）2.利用所提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)組成一個一階單

16、回路液位控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包含以下幾個部分：水槽A，水槽B，差壓變送器A，差壓變送器B，調(diào)節(jié)閥A，調(diào)節(jié)閥B，水泵A，水泵B，控制器A，控制器B。其中變送器A未使用，變送器B與水槽A連接，用來測量A中的液位高度。水泵A、B的出口管道分別接調(diào)節(jié)閥A、B，調(diào)節(jié)閥A、B的出水口均與A連接。為組成一階單回路液位控制系統(tǒng)，選用水槽A、變送器B、調(diào)節(jié)閥A、控制器B構(gòu)成系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)裝置如下圖所示：圖2-1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖3. 了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的特性 設(shè)廣義對象的開環(huán)傳遞函數(shù)為，控制器傳遞函數(shù)為，則系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 。閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、動態(tài)性能與被控對象特性及控制器參數(shù)選擇密切相關(guān)。4.熟練掌握單回

17、路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定過程工程整定方法有很多種，有臨界比例度法；衰減曲線法；響應(yīng)曲線法。本實(shí)驗(yàn)中主要應(yīng)用響應(yīng)曲線法。（設(shè)計(jì)一已經(jīng)通過響應(yīng)曲線法得出了廣義對象的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)、T0、K0值）在閉環(huán)系統(tǒng)中，置控制器積分時間為最大，微分時間為零，比例度取較大數(shù)值反復(fù)做給定值擾動試驗(yàn)，并逐漸減小比例度，直至記錄曲線出現(xiàn)4：1的衰減為止，這時的比例度稱為4：1衰減比例度，兩個相鄰波峰間的距離稱為4：1衰減周期。應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式來求取最佳PID參數(shù)。,%Ti，minTD，minP(K0/Ts )×100%_PI(1.1K0/Ts )×100%3.3_PID(0.85K0/Ts )×100%20.55.了解PID各參數(shù)在調(diào)節(jié)過程中的作用上升時間調(diào)節(jié)時間超調(diào)量穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)穩(wěn)定性P增大減小增大增大減小降低I增大減小增大增