过程控制系统地MATLAB实验.docx

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过程控制系统地MATLAB实验

过程控制系统的MATLAB实验

————用MATLAB中的simulink模块构建控制系统

1、建立系统数学模型

给系统加入一个输入（单位阶跃）扰动，测量其输出变化曲线。

按照反应曲线法（书中77页、33页）确定对应于输出曲线的传递函数。

Ko=5/1=5

tao=3

y=5*.0632=3.16对应横坐标T+tao=8.461

To=5.461

Go（s）=5e-3s/5.461s+1

2、建立一个简单控制系统，测量控制系统的过渡过程及品质指标

学会使用simulink模块，根据要求能够建立仿真系统并进行系统仿真。

设一流量控制系统如图所示，对象的传递函数为：

。

采用PID控制器。

1、试建立simulik仿真系统进行仿真；（画出控制系统框图）

2、采用P控制器、比例作用（proportional）为10;

C=0.96

第一峰值=1.446第二峰值=1.089

B=1.446-0.96=B`=1.089-0.96

衰减比n=B/B`

超调亮σ=B/C

余差e=r-C=1-0.96

过渡过程时间Ts=4.6s

3、采用PI控制器、比例作用（proportional）为10,积分作用（integral）为5;

C=1

第一峰值=1.527第二峰值=1.172

B=1.527-1=0.527B`=1.172-1=0.172

衰减比n=B/B`

超调亮σ=B/C

余差e=r-C=1-1=0

过渡过程时间Ts=1.95s

4、采用PID控制器，比例作用（proportional）为10,积分作用（integral）为5和微分作用（derivative）为0.3。

C=1

第一峰值=1.362第二峰值=1.053

B=1.362-1=0.362B`=1.053-1=0.053

衰减比n=B/B`

超调亮σ=B/C

余差e=r-C=1-1=0

过渡过程时间Ts=1.35s

观察并记录：

在②、③和④的情况下的衰减比，超调量，余差，过渡过程时间。

5、采用P控制器，改变比例作用（proportional）从0.1到3。

观察输出曲线的变化，用根轨迹理论说明为什么？

Kp=0.1

Kp=0.5

Kp=1.3

Kp=2

Kp=3

3、采用P、PI和PD控制器验证参数变化对输出的影响

设一流量控制系统如图1所示，对象的传递函数为：

。

1）、采用P控制器，令增益分别为：

10；30；60，观察输出变化。

①、超调量；②、误差；③、震荡情况。

Kp=10

C=0.789

第一峰值B=0.817

超调量=B/C=

误差=1-C=

震荡情况：

ts=0.508

Kp=30

C=0.918

第一峰值B=1.100

超调量=B/C=

误差=1-C=

震荡情况：

ts=0.53s,

Kp=60

C=0.958

第一峰值B=1.276

超调量=B/C=

误差=1-C=

震荡情况：

ts=0.581s

2）、采用I控制器，令积分强度分别为：

1；20；30，观察输出变化。

①、超调量；②、误差；③、震荡情况。

Ki=1

C=1

第一峰值B=1.021

超调量=B/C=

误差=1-C=0

震荡情况：

ts=5.48s

Ki=20

C=1

第一峰值B=1.860

超调量=B/C=

误差=1-C=

震荡情况：

ts=42.38s

Ki=30

C=∞

第一峰值B=

超调量=B/C=

误差=1-C=

震荡情况：

ts=s

3）、采用PD控制器，令增益为：

200，微分强度分别为：

1；5；10，观察输出变化。

①、超调量；②、误差；③、震荡情况。

Kd=1

C=0.987

第一峰值B=1.430

超调量=B/C=

误差=1-C=

震荡情况：

ts=0.430s

Kd=5

C=0.987

第一峰值B=1.127

超调量=B/C=

误差=1-C=

震荡情况：

ts=0.2s

Kd=10

C=0.987

第一峰值B=

超调量=B/C=

误差=1-C=

震荡情况：

不震荡

4、验证在不同控制参数下的输出变化

观察在不同的P、I和D数值下的输出变化（通过观察，了解在数值增加或减少过程中，系统输出是：

震荡或不震荡；误差变大或减小；超调量变大或减小；过渡过程时间变长或缩短等）。

以上实验为第一次实验报告内容。

下面的实验为第二次实验报告内容。

5、PID控制器参数的工程整定

理想PID

或

在MATLAB的simulink模块中的PID控制器参数分别为：

或

1、比例作用（proportional）强度是：

（

为比例度）；

2、积分作用（integral）强度是：

（

为积分时间）；

3、微分作用（derivative）强度是：

（

为微分时间）。

请用函数

作为对象的传递函数建立一个反馈控制系统，采用工程整定法中的临界比例度法和衰减曲线法整定控制器参数，使输出曲线满足4：

1的衰减比。

要求确定在控制规律为：

P、PI、PD和PID时的控制器参数。

（参考教材中76页表4-4和77页表4-5）

临界比例度法：

临界比例度δk=1/K=1/7.7=0.130

临界振荡周期Tk=42.18-20.84=21.34s

P控制器：

比例度δ=2δk=0.260

PI控制器：

比例度δ=2.2δk=0.286积分时间Ti=0.85Tk=18.139

PD控制器：

比例度δ=1.8δk=0.5148微分时间Td=0.1Tk=2.134

PID控制器：

比例度δ=1.7δk=0.221

积分时间Td=0.5Tk=10.67

微分时间Ti=0.125Tk=2.6675

衰减曲线法

K=3.33

比例度δs=1/k=0.3

衰减振荡周期Ts=42.168-15.17=2.998

P控制器：

比例度δ=δs=0.3

PI控制器：

比例度δ=1.2δs=0.36积分时间Ti=0.5Ts=1.499

PID控制器：

比例度δ=0.8δs=0.24

积分时间Ti=0.3Tk=0.8994

微分时间Td=0.1Tk=0.2998

6、设计一个控制系统

用教材中80页的4-7题，建立一个控制系统进行仿真。

设对象的传递函数为：

，变送器的增益为：

2，控制阀的增益为：

3。

采用PI控制器，调整控制器参数使输出曲线达到4：

1的衰减震荡。

所得比例强度为26，积分强度为10

衰减比n=（0.7469-0.5）/（0.5621-0.5）=3.97

调整过程：

K=50I=10n=0.293/0.1212=2.4

K=29I=10n=0.2543/0.0714=3.56

K=20I=10n=0.229/0.0475=4.8

K=25I=10n=0.2442/0.0588=4.15

K=26I=10n=0.2469/0.0621=3.97

7、设计一个串级控制系统并进行控制器参数整定

设有一个蒸汽加热器如图所示，主要扰动为进料流量，其变化幅度较大且频繁，设计合理控制系统，并整定控制器参数，使输出曲线满足4：

1的衰减比。

设蒸汽加热器的传递函数为：

进料流量的传递函数为：

设蒸汽流量的传递函数为e-s/（5s+1）

蒸汽流量到出口温度的传递函数为

8、设计一个比值控制系统P.118