過程控制實(shí)驗(yàn)報告(共49頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上過程控制系統(tǒng)Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一 過程控制系統(tǒng)建模 1實(shí)驗(yàn)二 PID控制 10實(shí)驗(yàn)三 串級控制 27實(shí)驗(yàn)四 比值控制 35實(shí)驗(yàn)五 解耦控制系統(tǒng) 40實(shí)驗(yàn)一 過程控制系統(tǒng)建模作業(yè)題目一：常見的工業(yè)過程動態(tài)特性的類型有哪幾種？通常的模型都有哪些？在Simulink中建立相應(yīng)模型，并求單位階躍響應(yīng)曲線。答：常見的工業(yè)過程動態(tài)特性的類型有：無自平衡能力的單容對象特性、有自平衡能力的單容對象特性、有相互影響的多容對象的動態(tài)特性、無相互影響的多容對象的動態(tài)特性等。通常的模型有一階慣性模型，二階模型等。（1） 無自平衡能力的單容對象特性：兩個無自衡單容過程的

2、模型分別為和，在Simulink中建立模型如下單位階躍響應(yīng)曲線如下：（2） 有自平衡能力的單容對象特性：兩個自衡單容過程的模型分別為和，在Simulink中建立模型如下：單位階躍響應(yīng)曲線如下：（3） 有相互影響的多容對象的動態(tài)特性：有相互影響的多容過程的模型為，當(dāng)參數(shù),時，在Simulink中建立模型如下：單位階躍響應(yīng)曲線如下：（4） 無相互影響的多容對象的動態(tài)特性：兩個無相互影響的多容過程的模型為（多容有自衡能力的對象）和（多容無自衡能力的對象），在Simulink中建立模型如下單位階躍響應(yīng)曲線如下作業(yè)題目二：某二階系統(tǒng)的模型為，二階系統(tǒng)的性能主要取決于，兩個參數(shù)。試?yán)肧imulink仿真

3、兩個參數(shù)的變化對二階系統(tǒng)輸出響應(yīng)的影響，加深對二階系統(tǒng)的理解，分別進(jìn)行下列仿真：（1）不變時，分別為0.1, 0.8, 1.0, 2.0時的單位階躍響應(yīng)曲線；（2）不變時，分別為2, 5, 8, 10時的單位階躍響應(yīng)曲線。（3），為0.1時的單位階躍響應(yīng)曲線：，為0.8時的單位階躍響應(yīng)曲線：，為1.0時的單位階躍響應(yīng)曲線：，為2.0時的單位階躍響應(yīng)曲線：（2），為2時的單位階躍響應(yīng)曲線：，為5時的單位階躍響應(yīng)曲線：，為8時的單位階躍響應(yīng)曲線：，為10時的單位階躍響應(yīng)曲線：實(shí)驗(yàn)二 PID控制作業(yè)題目：建立如下所示Simulink仿真系統(tǒng)圖。利用Simulink仿真軟件進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：1. 建立Si

4、mulink原理圖如下2. 雙擊原理圖中的PID模塊，出現(xiàn)參數(shù)設(shè)定對話框如下將PID控制器的積分增益和微分增益改為0，使其具有比例調(diào)節(jié)功能，對系統(tǒng)進(jìn)行純比例控制。3.進(jìn)行仿真，調(diào)整比例增益，觀察響應(yīng)曲線的變化，分析系統(tǒng)性能的變化：P=0.5時的響應(yīng)曲線如下：P=2時的響應(yīng)曲線如下：P=5時的響應(yīng)曲線如下：由以上三組響應(yīng)曲線可以看出，純比例控制對系統(tǒng)性能的影響為：比例調(diào)節(jié)的余差隨著比例帶的加大而加大，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)真激烈震蕩甚至不穩(wěn)定，比例帶很大時，被調(diào)量可以沒有超調(diào)，但余差很大，調(diào)節(jié)時間也很長，減小比例帶就引起被調(diào)量的來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，余

5、差相應(yīng)減少。4.將控制器的功能改為比例微分控制，調(diào)整參數(shù)，觀測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例微分的作用。P=2，D=0.1時的相應(yīng)曲線如下：P=2，D=0.5時的相應(yīng)曲線如下：P=2，D=2時的相應(yīng)曲線如下：P=2，D=5時的相應(yīng)曲線如下：由以上四組響應(yīng)曲線可以看出，比例微分控制對系統(tǒng)性能的影響為：可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引入適當(dāng)?shù)奈⒎謩幼骺梢詼p小余差，并且減小了短期最大偏大，提高了振蕩頻率。5.將控制器的功能改為比例積分控制，調(diào)整參數(shù)，觀測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例積分的作用。P=2，I=0.1時的響應(yīng)曲線如下：P=2，I=0.5時的響應(yīng)曲線如下：P=2，I=1時的響應(yīng)曲線如下：P=2，I=1.5時的

6、響應(yīng)曲線如下：P=2，I=2時的響應(yīng)曲線如下：由以上五組響應(yīng)曲線可以看出，比例積分控制對系統(tǒng)性能的影響為：消除了系統(tǒng)余差，但降低了穩(wěn)定性，PI調(diào)節(jié)在比例帶不變的情況下，減小積分時間TI（增大積分增益I），將使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、振蕩加劇、調(diào)節(jié)過程加快、振蕩頻率升高。6. 將控制器的功能改為比例積分微分控制，調(diào)整參數(shù)，觀測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例積分微分的作用。P=2，I=0.5，D=0.2的響應(yīng)曲線如下P=2，I=0.5，D=1的響應(yīng)曲線如下P=2，I=0.5，D=3的響應(yīng)曲線如下P=2，I=0.5，D=20的響應(yīng)曲線如下P=2，I=0.1，D=0.5的響應(yīng)曲線如下P=2，I=0.5，D=0.

7、5的響應(yīng)曲線如下P=2，I=1，D=0.5的響應(yīng)曲線如下P=2，I=2.3，D=0.5的響應(yīng)曲線如下P=2，I=3，D=0.5的響應(yīng)曲線如下由以上幾組響應(yīng)曲線可以看出，比例積分微分控制對系統(tǒng)性能的影響為：提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制動態(tài)偏差，減小余差，提高響應(yīng)速度，當(dāng)微分時間較小時，提高微分時間可以減小余差，提高響應(yīng)速度并減小振蕩，當(dāng)微分時間較大時，提高微分時間，振蕩會加劇。7.將PID控制器的積分微分增益改為0，對系統(tǒng)進(jìn)行純比例控制，修改比例增益，使系統(tǒng)輸出的過度過程曲線的衰減比n=4，記下此時的比例增益值。經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=1時，終值r=0.5，第一個波峰值y1=0.72，第二個波峰值y2=0.

8、55，衰減比約為4，如下圖所示。8.修改比例增益，使系統(tǒng)輸出的過度過程曲線的衰減比n=2，記下此時的比例增益值。經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=12時，終值r=0.93，第一個波峰值y1=1.6，第二個波峰值y2=1.25，衰減比約為2，如下圖所示。9.修改比例增益，使系統(tǒng)輸出呈現(xiàn)臨界振蕩波形，記下此時的比例增益。經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=2.7時，系統(tǒng)輸出呈現(xiàn)臨界振蕩波形，如下圖所示。10.將PID控制器的比例、積分增益進(jìn)行修改，對系統(tǒng)進(jìn)行比例積分控制。不斷修改比例、積分增益，使系統(tǒng)輸出的過渡過程曲線的衰減比n=2,4,10，記下此時比例和積分增益。經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=2，I=0.6時，終值r=1，第一個波峰

9、值y1=1.28，第二個波峰值y2=1.14，衰減比約為2，如下圖所示。經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=5，I=0.3時，終值r=1，第一個波峰值y1=1.4，第二個波峰值y2=1.1，衰減比約為4，如下圖所示。經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=4，I=0.15時，終值r=1，第一個波峰值y1=1.3，第二個波峰值y2=1.03，衰減比約為10，如下圖所示。11.將PID控制器的比例、積分、微分增益進(jìn)行修改，對系統(tǒng)進(jìn)行比例積分控制。不斷修改比例、積分、微分增益，使系統(tǒng)輸出的過度過程曲線的衰減比n=2,4,10，記下此時比例、積分、微分增益。 經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=6，I=1，D=0.05時，終值r=1，第一個波峰值y1=

10、1.5，第二個波峰值y2=1.25，衰減比約為2，如下圖所示。經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=12，I=1，D=1時，終值r=1，第一個波峰值y1=1.4，第二個波峰值y2=1.1，衰減比約為4，如下圖所示。經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=6，I=1，D=1時，終值r=1，第一個波峰值y1=1.3，第二個波峰值y2=1.03，衰減比約為10，如下圖所示。實(shí)驗(yàn)三 串級控制作業(yè)題目：串級控制系統(tǒng)仿真。已知某串級控制系統(tǒng)的主副對象的傳遞函數(shù)Go1，Go2分別為：，副回路干擾通道的傳遞函數(shù)為：。（1） 畫出串級控制系統(tǒng)的方框圖及相同控制對象下的單回路控制系統(tǒng)方框圖。（2） 用Simulink畫出上述兩個系統(tǒng)的仿真框圖（3）

11、選用PID調(diào)節(jié)器，整定主副控制器的參數(shù)，使該串級控制系統(tǒng)性能良好，并繪制相應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線。（4） 比較單回路控制系統(tǒng)及串級控制系統(tǒng)在相同的副擾動下的單位階躍響應(yīng)曲線，并說明原因。用simulink畫出上述兩個系統(tǒng)的仿真框圖如下：單回路控制系統(tǒng)方框圖如下串級控制系統(tǒng)方框圖如下圖為單回路控制系統(tǒng)的Simulink圖，其中，PID C1為單回路PID控制器，d1為一次擾動，取階躍信號；d2為二次擾動，取階躍信號；Go2為副對象，Go1為主對象；r為系統(tǒng)輸入，取階躍信號，y為系統(tǒng)輸出，它連接到示波器上，可以方便地觀測輸出。經(jīng)過不斷的試驗(yàn)，當(dāng)輸入比例系數(shù)為260，積分系數(shù)為0，微分系數(shù)為140時，

12、系統(tǒng)階躍響應(yīng)達(dá)到比較滿意的效果，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如下圖：采用這套PID參數(shù)時，二次擾動作用下，置輸入為0，系統(tǒng)框圖如下系統(tǒng)的輸出響應(yīng)如下圖：采用這套PID參數(shù)時，一次擾動作用下，置輸入為0，系統(tǒng)框圖如下系統(tǒng)的輸出響應(yīng)如下綜合以上各圖可以看出采用單回路控制，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)達(dá)到要求時，系統(tǒng)對一次，二次擾動的抑制效果不是很好。圖是采用串級控制時的情況，q1為一次擾動，取階躍信號；q2為二次擾動，取階躍信號；PID C1為主控制器，采用PD控制，PID C2為副控制器，采用P控制；Go2為副對象，Go1為主對象；r為系統(tǒng)輸入，取階躍信號；y為系統(tǒng)輸出，它連接到示波器上，可以方便地觀測輸出。經(jīng)過不斷試驗(yàn)，當(dāng)

13、PID C1為主控制器輸入比例系數(shù)為550，積分系數(shù)為0，微分系數(shù)為80時；當(dāng)PID C2為主控制器輸入比例系數(shù)為3，積分系數(shù)為0，微分系數(shù)為0時；系統(tǒng)階躍響應(yīng)達(dá)到比較滿意的效果，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如下圖所示：采用這套PID參數(shù)時，二次擾動作用下，置輸入為0，系統(tǒng)的框圖如下系統(tǒng)的輸出響應(yīng)如下圖采用這套PID參數(shù)時，一次擾動作用下，置輸入為0，系統(tǒng)的框圖如下系統(tǒng)的輸出響應(yīng)如下圖綜合以上各圖可以看出，采用串級控制，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)達(dá)到要求時，系統(tǒng)對一次擾動，二次擾動的抑制也能達(dá)到很好的效果。綜合單回路控制和串級控制的情況，系統(tǒng)的控制性能對比如下表所示。系統(tǒng)采用單回路控制和串級控制的對比控制品質(zhì)指標(biāo)單回路控

14、制Kc1=260，Tc1=140串級控制Kc1=550，Tc1=80，Kc2=3衰減率0.750.75調(diào)節(jié)時間5020殘偏差00二次階躍擾動下的系統(tǒng)短期最大偏差0.00380.0006一次階躍擾動下的系統(tǒng)短期最大偏差0.0130.0055從表中可以看出系統(tǒng)的動態(tài)過程改善更為明顯，可見對二次擾動的最大動態(tài)偏差可以減小約6倍，對一次擾動的最大動態(tài)偏差也可以減小約2.4倍，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間提高了2.5倍。單回路控制系統(tǒng)在副擾動下的單位階躍響應(yīng)曲線如下串級控制系統(tǒng)在副擾動作用下的節(jié)約響應(yīng)曲線如下 通過對比兩曲線可以看出，串級控制系統(tǒng)中因?yàn)楦被芈返拇嬖冢?dāng)副擾動作用時，副控制器會立即動作，削弱干擾的影響，

15、使被副回路抑制過的干擾再進(jìn)入主回路，對主回路的影響大大降低，相應(yīng)偏差也大大減小。專心-專注-專業(yè)實(shí)驗(yàn)四 比值控制作業(yè)題目：在例一中如系統(tǒng)傳遞函數(shù)為，其他參數(shù)不變，試對其進(jìn)行單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)仿真分析，并討論分母中“15”變化時控制系統(tǒng)的魯棒性。（1）分析從動量無調(diào)節(jié)器的開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性。由控制理論知，開環(huán)穩(wěn)定性分析是系統(tǒng)校正的前提。系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析可利用Bode圖進(jìn)行，編制MATLAB Bode圖繪制程序（M-dile）如下：clear allclose allT=15;K0=3;tao=4;num=K0;den=T,1; G=tf(num,den,inputdelay,tao);margin(

16、G)執(zhí)行該程序得系統(tǒng)的Bode圖如圖所示，可見系統(tǒng)是穩(wěn)定的。幅值裕量為6.77dB，對應(yīng)增益為2.2。（2）選擇從動量控制器形式及整定其參數(shù)。根據(jù)工程整定的論述，選擇PI形式的控制器，即。本處采用穩(wěn)定邊界法整定系統(tǒng)。先讓=0，調(diào)整使系統(tǒng)等幅振蕩（由穩(wěn)定性分析圖知在=2.2附近時系統(tǒng)震蕩），即使系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)Simulink框圖如下所示調(diào)節(jié)P=0.3，I=0.02時，基本達(dá)到了振蕩臨界要求，其系統(tǒng)響應(yīng)圖如下所示：（3）系統(tǒng)過程仿真。單閉環(huán)比值控制過程相當(dāng)于從動量變化的隨動控制過程。假定主動量由一常值10加幅度為0.3的隨機(jī)擾動構(gòu)成，從動量受均值為0、方差為1的隨機(jī)干擾。主動量和從動量

17、的比值根據(jù)工藝要求及測量儀表假定為3.系統(tǒng)的控制過程Simulink仿真框圖如圖所示。其中控制常量及隨機(jī)擾動采用封裝形式。主動控制量的封裝結(jié)構(gòu)如下：運(yùn)行結(jié)果如下所示（圖中曲線從上往下分別為從動量跟蹤結(jié)果、主動量給定值和隨機(jī)干擾）：可見除初始時間延時外，從動量較好地跟隨主動量變化而變化，并且基本維持比值3，有效地克服了主動量和從動量的擾動。（4）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)魯棒性分析要求分母中“15”變化，即積分時間為13.516.5，分析系統(tǒng)魯棒性。系統(tǒng)仿真框圖如圖a所示，圖b為延時選擇模塊Subsystem的展開圖，改變積分時間常數(shù)為13.5，14，14.516.5共11個值。經(jīng)過運(yùn)行后在工作空間繪圖

18、（使用語句：plot（tout，simout）；hold on；grid on）即可見到圖c的仿真結(jié)果。圖a 系統(tǒng)仿真框圖圖b 延時選擇模塊統(tǒng)封裝結(jié)構(gòu)圖c 仿真結(jié)果分析圖c仿真結(jié)果可見，隨著延時環(huán)節(jié)的變化，從動量跟隨主動量的規(guī)律有較小變化，但并未改變系統(tǒng)穩(wěn)定性及精度，說明系統(tǒng)在積分時間發(fā)生變化時仍能正常工作，系統(tǒng)的魯棒性較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)五 解耦控制系統(tǒng)作業(yè)題目：在例題中若輸入輸出之間傳遞關(guān)系改為-，其他參數(shù)不變，試?yán)脤顷嚱怦罘椒▽?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過程控制。（1）求系統(tǒng)相對增益以及系統(tǒng)耦合分析由式得系統(tǒng)靜態(tài)放大系數(shù)矩陣為即系統(tǒng)的第一放大系數(shù)矩陣為：系統(tǒng)的相對增益矩陣為：。 由相對增益矩陣可以得知，控制系統(tǒng)輸入、輸出的配對選擇是正確的；通道間存在較強(qiáng)的相互耦合，應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行解耦分析。系統(tǒng)的輸入、輸出結(jié)構(gòu)如下圖所示（2）確定解耦調(diào)節(jié)器根據(jù)解耦數(shù)學(xué)公式求解對角矩陣，即 采用對角矩陣解耦后，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示：解耦前后系統(tǒng)的simulink階躍仿真框圖及結(jié)果如下：1）不存在耦合時的仿真框圖和結(jié)果圖a 不存在耦合時的仿真框圖（上）和結(jié)果（下）2）系統(tǒng)耦合Simulink仿真框圖和結(jié)果圖b 系統(tǒng)耦合Simulink仿真框圖（上）和結(jié)果（下）3）對角矩陣解耦后的仿真