過程控制系統(tǒng)Matlab-Simulink仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

實(shí)驗(yàn)一過程控制系統(tǒng)建模常見的工業(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。1單容過程模型1）無自衡單容過程的階躍響應(yīng)實(shí)例2）自衡單容過程的階躍響應(yīng)實(shí)例2多容過程模型3）有相互影響的多容過程的階躍響應(yīng)實(shí)例4）無相互影響的多容過程的階躍響應(yīng)實(shí)例某二階系統(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）2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）0.8不變時，分別為2,5,8,10時的單位階躍響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)二PID控制利用Simulink仿真軟件進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：1.建立如圖所示的實(shí)驗(yàn)Simulink原理圖。2.雙擊原理圖中的PID模塊，出現(xiàn)參數(shù)設(shè)定對話框，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，觀測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)性能；然后調(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=1P=5P=10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，余差相應(yīng)減少。4.重復(fù)（步驟2,3），將控制器的功能改為比例微分控制，觀測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例微分的作用。P=2;d=1P=5;d=2P=2;d=2P=5;d=2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.重復(fù)（步驟2,3），將控制器的功能改為比例積分控制，觀測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例積分的作用。P=2;i=1P=5;i=1P=2;i=2P=5;i=2由以上響應(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.重復(fù)（步驟2,3），將控制器的功能改為比例積分微分控制，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=1;d=1P=5;i=1;d=1P=2;i=2;d=1P=5;i=2;d=1P=2;i=1;d=2P=5;i=1;d=2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。不斷修改比例增益，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=0.55，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。P=100P=1000由圖可知，kp值越大，系統(tǒng)衰減比越小。故要使系統(tǒng)呈現(xiàn)臨界波形，可使kp趨于無窮大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。n=2經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=2，I=0.6時終值r=1，第一個波峰值y1=1.30，第二個波峰值y2=1.16，衰減比約為2，如下圖所示n=4經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=2.9，I=0.42時終值r=1，第一個波峰值y1=1.28，第二個波峰值y2=1.07，衰減比約為4n=10經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=1.23，I=0.02時終值r=0.62，第一個波峰值y1=0.82，第二個波峰值y2=0.64，衰減比約1011.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。n=2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=1.5，第二個波峰值y2=1.25，衰減比約為2n=4經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=6，I=0.5，D=0.05時終值r=0.97，第一個波峰值y1=1.36，第二個波峰值y2=1.06，衰減比約為4n=10經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=11，I=0.05，D=2時終值r=0.92，第一個波峰值y1=1.3，第二個波峰值y2=0.96，衰減比約為10實(shí)驗(yàn)三串級控制串級控制系統(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)的仿真框圖串級控制系統(tǒng)的方框圖如下所示：單回路控制系統(tǒng)方框圖如下所示：（3）選用PID控制器，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。經(jīng)過不斷試驗(yàn)，當(dāng)PIDController為主控制器輸入比例系數(shù)為360，積分系數(shù)為30，微分系數(shù)為60時；當(dāng)PIDController1為副控制器輸入比例系數(shù)為5，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)時一次擾動作用下的階躍響應(yīng)：二次擾動下的階躍響應(yīng)：（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，并說明原因單回路控制系統(tǒng)在相同的副擾動下的單位階躍響應(yīng)曲線：一次擾動作用下的階躍響應(yīng)：二次擾動下的階躍響應(yīng)：比較上圖故可知串級系統(tǒng)由于副回路的存在對擾動的抑制能力更強(qiáng)。因擾動經(jīng)干擾通道進(jìn)入回路后首先影響副回路的輸出，副回路反饋后引起副控制器立即動作，力圖消弱干擾影響，使得干擾經(jīng)過副回路的抑制后再進(jìn)入主回路，對主回路的輸出影響大為減弱實(shí)驗(yàn)四解耦控制系統(tǒng)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)耦合分析由題得系統(tǒng)靜態(tài)放大系數(shù)矩陣為[k11,k12;k21,k22]=[11,0.5;-5,0.3]即系統(tǒng)的第一放大系數(shù)矩陣為：p=[p11,p12;p21,p22]=[k11,k12;k21,k22]=[11,0.5;-5,0.3]系統(tǒng)的相對增益矩陣為：Λ=[0.57,0.43;0.43,0.57]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[N11(s),N12(s);N21(s),N22(s)]=1/{Gp11(s)Gp22(s)-Gp12(s)Gp21(s)}*[Gp22(s),-Gp12(s);-Gp21(s),Gp11(s)]=1/(216.2s^2+82.5s+5.8)*[128.7s^2+52.8s+3.3,-13.65s^2-3s-0.15;825s^2+440s+55,128.7s^2+52.8s+3.3]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及結(jié)果2.系統(tǒng)耦合simulink仿真框圖及結(jié)果3.對角矩陣解耦后的仿真框圖和結(jié)果對比圖1和圖2可知，本系統(tǒng)的耦合影響主要體現(xiàn)在幅值變化和響應(yīng)速度上，但影響不顯著。其實(shí)不進(jìn)行解耦通過閉環(huán)控制仍有可能獲得要求品質(zhì)。對比圖1和圖3可知，采用對角解耦器后系統(tǒng)的響應(yīng)和不存在耦合結(jié)果一樣，采用對角實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)解耦。解耦后系統(tǒng)可按兩個獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行分析和控制。(3).控制器形式選擇與參數(shù)整定通過解耦，原系統(tǒng)已可看成兩個獨(dú)立的單輸入輸出系統(tǒng)?？紤]到PID應(yīng)用的廣泛性和系統(tǒng)無靜差要求，控制器形式采用PI形式。PI參數(shù)整定通過解耦的兩個單輸入輸出系統(tǒng)進(jìn)行，整定采取試誤法進(jìn)行。當(dāng)x1y1通道Kp=20，Ki=3時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖：當(dāng)x2y2通道Kp=35，Ki=5時系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖：(4）系統(tǒng)仿真采用對角矩陣解耦時，控制系統(tǒng)如下圖所示：為了比較解耦和不解耦兩種情況，分別列出兩種情況的Simulink框圖和仿真結(jié)果。解耦時系統(tǒng)的Simulink仿真框圖及結(jié)果（第二幅圖中的響應(yīng)曲線從上往下依次是通道x2y2的輸入波形和響應(yīng)波形、通道x1y1的輸入波形和響應(yīng)波形以及隨機(jī)擾動波形）：不解耦時系統(tǒng)的Simulink仿真框圖及結(jié)果（第二幅圖中的響應(yīng)曲線在t=1s處從上往下依次是通道x2y2的輸入波形和響應(yīng)波形、通道x1y1的輸入波形和響應(yīng)波形以及隨機(jī)擾動波形）：由圖對比結(jié)果可知，系統(tǒng)解耦后系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)有一定改善，但改善不大，這是由于耦合較弱所致。因此當(dāng)要求不高時，系統(tǒng)可以不采取解耦措施。實(shí)驗(yàn)五比值控制在例一中如系統(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10%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MATLABBode圖繪制程序（M-dile）如下：clearallcloseallT=15;K0=3;tao=4;num=[K0];den=[T,1];G=tf(num,den,'inputdelay',tao);margin(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IK=0，調(diào)整pK使系統(tǒng)等幅振蕩（由穩(wěn)定性分析圖知在pK=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)Kp=0.3,Kf=0.02時，系統(tǒng)響應(yīng)圖如下所示，基本達(dá)到了振蕩臨界要求（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