过程控制实验报告Word文档下载推荐.docx

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1、无自衡单容过程的阶跃响应实例

已知两个无自衡单容过程的模型分别为

和

，试在Simulink中建立模型，并求单位阶跃响应曲线。

Simulink中建立模型如图所示：

得到的单位阶跃响应曲线如图所示：

2、自衡单容过程的阶跃响应实例

已知两个自衡单容过程的模型分别为

多容过程模型

3、有相互影响的多容过程的阶跃响应实例

已知有相互影响的多容过程的模型为

，当参数

时，试在Simulink中建立模型，并求单位阶跃响应曲线

在Simulink中建立模型如图所示：

4、无相互影响的多容过程的阶跃响应实例

已知两个无相互影响的多容过程的模型为

（多容有自衡能力的对象）和

（多容无自衡能力的对象），试在Simulink中建立模型，并求单位阶跃响应曲线。

作业题目二：

某二阶系统的模型为

，二阶系统的性能主要取决于

，

两个参数。

试利用Simulink仿真两个参数的变化对二阶系统输出响应的影响，加深对二阶系统的理解，分别进行下列仿真：

（1）

不变时，

分别为,,,时的单位阶跃响应曲线；

从上至下

分别为,，,

（2）

分别为2,5,8,10时的单位阶跃响应曲线。

从下到上wn分别为2,5,8,10

实验二PID控制

作业题目：

建立如下所示Simulink仿真系统图。

利用Simulink仿真软件进行如下实验：

1.建立如图所示的实验Simulink原理图。

2.双击原理图中的PID模块，出现参数设定对话框，将PID控制器的积分增益和微分增益改为0，使其具有比例调节功能，对系统进行纯比例控制。

3.进行仿真，观测系统的响应曲线，分析系统性能；

然后调整比例增益，观察响应曲线的变化，分析系统性能的变化。

由以上三组响应曲线可以看出，纯比例控制对系统性能的影响为：

比例调节的余差随着比例带的加大而加大，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统真激烈震荡甚至不稳定，比例带很大时，被调量可以没有超调，但余差很大，调节时间也很长，减小比例带就引起被调量的来回波动，但系统仍可能是稳定的，余差相应减少。

4.重复（步骤2,3），将控制器的功能改为比例微分控制，观测系统的响应曲线，分析比例微分的作用。

由以上四组响应曲线可以看出，比例微分控制对系统性能的影响为：

可以提高系统的稳定性，引入适当的微分动作可以减小余差，并且减小了短期最大偏大，提高了振荡频率

5.重复（步骤2,3），将控制器的功能改为比例积分控制，观测系统的响应曲线，分析比例积分的作用。

由以上响应曲线可以看出，比例积分控制对系统性能的影响为：

消除了系统余差，但降低了稳定性，PI调节在比例带不变的情况下，减小积分时间TI（增大积分增益I），将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高

6.重复（步骤2,3），将控制器的功能改为比例积分微分控制，观测系统的响应曲线，分析比例积分微分的作用。

由以上几组响应曲线可以看出，比例积分微分控制对系统性能的影响为：

提高系统稳定性，抑制动态偏差，减小余差，提高响应速度，当微分时间较小时，提高微分时间可以减小余差，提高响应速度并减小振荡，当微分时间较大时，提高微分时间，振荡会加剧。

7.将PID控制器的积分微分增益改为0，对系统进行纯比例控制。

不断修改比例增益，使系统输出的过度过程曲线的衰减比n=4，记下此时的比例增益值。

经过调整，当比例P=1时，终值r=，第一个波峰值y1=，第二个波峰值y2=，衰减比约为4，如下图所示

8.修改比例增益，使系统输出的过度过程曲线的衰减比n=2，记下此时的比例增益值。

经过调整，当比例P=12时，终值r=，第一个波峰值y1=，第二个波峰值y2=衰减比约为2，如下图所示

9.修改比例增益，使系统输出呈现临界振荡波形，记下此时的比例增益。

P=100p=1000

由图可知，Kp值越大，系统的衰减比越小。

故要使系统呈现临界波形，可使Kp趋于无穷大

10.将PID控制器的比例、积分增益进行修改，对系统进行比例积分控制。

不断修改比例、积分增益，使系统输出的过渡过程曲线的衰减比n=2,4,10，记下此时比例和积分增益。

将PID控制器的比例、积分、微分增益进行修改，对系统进行比例积分控制。

不断修改比例、积分、微分增益，使系统输出的过度过程曲线的衰减比n=2,4,10，记下此时比例、积分、微分增益。

对系统进行比例积分控制：

n=2

经过调整，当比例P=2，I=时

终值r=1，第一个波峰值y1=，第二个波峰值y2=，衰减比约为2，如下图所示

n=4

经过调整，当比例P=，I=时

终值r=，第一个波峰值y1=，第二个波峰值y2=，衰减比约为4

n=10

终值r=，第一个波峰值y1=，第二个波峰值y2=，衰减比约为10

对系统进行比例积分微分控制

经过调整，当比例P=6，I=1，D=时

终值r=1，第一个波峰值y1=，第二个波峰值y2=，衰减比约为2

经过调整，当比例P=6，I=，D=时

终值r=，第一个波峰值y1=，第二个波峰值y2=，衰减比约为4，如下图所示

经过调整，当比例P=11，I=，D=2时

终值r=，第一个波峰值y1=，第二个波峰值y2=，衰减比约为10，如下图所示

实验三串级控制

串级控制系统仿真。

已知某串级控制系统的主副对象的传递函数Go1，Go2分别为：

，副回路干扰通道的传递函数为：

。

（1）画出串级控制系统的方框图及相同控制对象下的单回路控制系统方框图。

（2）用Simulink画出上述两个系统的仿真框图

串级控制系统的方框图如下所示：

单回路控制系统方框图如下所示：

（3）选用PID调节器，整定主副控制器的参数，使该串级控制系统性能良好，并绘制相应的单位阶跃响应曲线。

经过不断试验，当PID 

C1为主控制器输入比例系数为360，积分系数为30，微分系数为60时；

当PID 

C2为副控制器输入比例系数为5，积分系数为0，微分系数为0时；

系统阶跃响应达到比较满意的效果，系统阶跃响应如下图所示：

采用这套PID参数时

二次扰动作用下的阶跃响应：

一次扰动下的阶跃响应：

（4）比较单回路控制系统及串级控制系统在相同的副扰动下的单位阶跃响应曲线，并说明原因。

单回路控制系统在相同的副扰动下的单位阶跃响应曲线：

串级控制系统在相同的副扰动下的单位阶跃响应曲线：

比较上图故可知串级系统由于副回路的存在对扰动的抑制能力更强。

因扰动经干扰通道进入回路后首先影响副回路的输出，副回路反馈后引起副控制器立即动作，力图消弱干扰影响，使得干扰经过副回路的抑制后再进入主回路，对主回路的输出影响大为减弱

实验四比值控制

在例一中如系统传递函数为

，其他参数不变，试对其进行单闭环比值控制系统仿真分析，并讨论

分母中“15”变化

时控制系统的鲁棒性。

（1）分析从动量无调节器的开环系统稳定性。

由控制理论知，开环稳定性分析是系统校正的前提。

系统稳定性的分析可利用Bode图进行，编制MATLAB 

Bode图绘制程序（M-dile）如下：

clearall

closeall

T=15;

K0=3;

tao=4;

num=[K0];

den=[T,1];

G=tf（num,den,'

inputdelay'

tao）;

margin（G）

执行该程序得系统的Bode图如图所示，可见系统是稳定的。

幅值裕量为，对应增益为

（2）选择从动量控制器形式及整定其参数。

根据工程整定的论述，选择PI形式的控制器，即

本处采用稳定边界法整定系统。

先让

=0，调整

使系统等幅振荡（由稳定性分析图知在

=附近时系统震荡），即使系统处于临界稳定状态。

系统Simulink框图如下所示

调节

时，系统响应图如下所示，基本达到了振荡临界要求

（3）系统过程仿真。

单闭环比值控制过程相当于从动量变化的随动控制过程。

假定主动量由一常值10加幅度为的随机扰动构成，从动量受均值为0、方差为1的随机干扰。

主动量和从动量的比值根据工艺要求及测量仪表假定为3。

系统的控制过程Simulink仿真框图如图所示。

其中控制常量及随机扰动采用封装形式。

主动控制量的封装结构如下：

运行结果如下所示（图中曲线从上往下分别为从动量跟踪结果、主动量给定值和随机干扰）：

可见除初始时间延时外，从动量较好地跟随主动量变化而变化，并且基本维持比值3，有效地克服了主动量和从动量的扰动。

（4）单闭环比值控制系统鲁棒性分析 

要求分母中“15”变化10%，即积分时间为~，分析系统鲁棒性。

系统仿真框图如下图所示

延时选择模块Subsystem的展开图如下所示

改变积分时间常数为，……共11个值。

经过运行后在工作空间绘图（使用语句：

plot（tout，simout）；

hold 

on；

grid 

on）即可见到下图的仿真结果。

仿真结果可见，随着延时环节的变化，从动量跟随主动量的规律有较小变化，但并未改变系统稳定性及精度，说明系统在积分时间发生10%变化时仍能正常工作，系统的鲁棒性较强。

实验五解耦控制系统

在例题中若输入输出之间传递关系改为

，其他参数不变，试利用对角阵解耦方法实现系统的过程控制。

（1）求系统相对增益以及系统耦合分析

由题得系统静态放大系数矩阵为

=

即系统的第一放大系数矩阵为：

系统的相对增益矩阵为：

由相对增益矩阵可以得知，控制系统输入、输出的配对选择是正确的；

通道间存在较强的相互耦合，应对系统进行解耦分析。

系统的输入、输出结构如下图所示

（2）确定解耦调节器 

根据解耦数学公式求解对角矩阵，即

采用对角矩阵解耦后，系统的结构如下图所示：

解耦前后系统的simulink阶跃仿真框图及结果如下：

1.不存在耦合时的仿真框图和结果 

图a

2.系统耦合Simulink仿真框图和结果

图b

3.对角矩阵解耦后的仿真框图和结果

图c

对比图a和图b可知，本系统的耦合影响主要体现在幅值变化和响应速度上，但影响不显著。

其实不进行解耦通过闭环控制仍有可能获得要求品质。

对比图a和图c可知，采用对角解耦器后系统的响应和不存在耦合结果一样，采用对角实现了系统解耦。

解耦后系统可按两个独立的系统进行分析和控制。

（3）.控制器形式选择与参数整定 

通过解耦，原系统已可看成两个独立的单输入输出系统。

考虑到PID应用的广泛性和系统无静差要求，控制器形式采用PI形式。

PI参数整定通过解耦的两个单输入输出系统进行，整定采取试误法进行。

当x1y1通道Kp=20，Ki=3时系统的阶跃响应如图：

L=ê

当x2y2通道Kp=35，Ki=5时系统阶跃响应如图：

（4）系统仿真 

采用对角矩阵解耦时，控制系统如下图所示：

为了比较解耦和不解耦两种情况，分别列出两种情况的Simulink框图和仿真结果。

解耦时系统的Simulink仿真框图及结果（第二幅图中的响应曲线从上往下依次是通道x2y2的输入波形和响应波形、通道x1y1的输入波形和响应波形以及随机扰动波形）：

不解耦时系统的Simulink仿真框图及结果（第二幅图中的响应曲线在t=1s处从上往下依次是通道x2y2的输入波形和响应波形、通道x1y1的输入波形和响应波形以及随机扰动波形）：

由图对比结果可知，系统解耦后系统的动态响应有一定改善，但改善不大，这是由于耦合较弱所致。

因此当要求不高时，系统可以不采取解耦措施。