最少拍控制系统.docx
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最少拍控制系统
最少拍控制系统
(Simulink)
(1)掌握最少拍有纹波、无纹波系统的设计方法;
(2)学会
对最小拍控制系统的分析方法。
(3)了解输入信号对最小拍控制系统的影响及其改进措施。
(1)硬件环境
微型计算机一台,Pentium4以上各类微机
(2)软件平台
操作系统:
Windows2000
MATLIB6.0仿真软件最少拍控制是一种直接数字设计方法。
所谓最少拍控制,就是要求闭环系统对于某种特
定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态,使系统输出值尽快地跟踪期望值的变化。
它的闭环
z传递函数具有形式
12N(z)zz?
z12N在这里,是可能情况下的最小正整数。
这一传递形式表明闭环系统的脉冲响应在N个采N
样周期后变为零,从而意味着系统在N拍之内到达稳态。
其控制原理如图1-
1:
(z)
G(z)
Y(z)R(z)
TTU(z)es()E(z)Gs()D(z)G(s)h00TT+Y(s)R(s)_
G(s)
图1-1最少拍系统控制原理图
(1)输入信号为单位阶跃输入,
1
2.1
(2)被控对象为:
G(s),02s(s,1.252)
(3)采样周期=1s。
T
要求:
设计控制器;D(z)
(1)按系统要求计算为有纹波控制器和无纹波控制器;D(z)
(2)按照系统原理图,在simulink下构造系统结构图模型;取输入信号为单位阶跃信号
和单位速度信号,设计控制器,观察输入输出波型,标明参数,打印结果;
(3)观察系统输出波形在采样点以外的波形。
(4)比较有纹波与无纹波系统的区别,分析其原因。
(1)最少拍受什么限
制而使调整节拍增加?
(2)无纹波系统对控制器有何要求?
(3)分析不同输入信号对最小拍控制系统的影响。
(Simulink)
(1)掌握应用大林算法进行纯滞后系统D(z)的设计;
(2)掌握纯滞后系统消除振铃的方法。
(1)硬件环境
微型计算机一台,Pentium4以上各类微机
(2)软件平台
操作系统:
Windows2000以上;
仿真软件工具:
MATLIB5.3以上。
在一些工业过程(如热工、化工)控制中,由于物料或能量的传输延迟,许多
被控制对
象具有纯滞后性质。
例如,一个用蒸汽控制水温的系统,蒸汽量的变化要经过长度为L的路
,L/v,v,程才能反映出来。
这样,就造成水温的变化要滞后一段时间(是蒸汽的速度)。
对象的这种纯滞后性质常会引起系统产生超调和振荡。
因此,对于这一类系统,采用一般的
2
随动系统设计方法是不行的,而用PID控制往往效果也欠佳。
本实验采用大林算法进行被控制对象具有纯滞后系统设计。
设被控对象为带有纯滞后的
一阶惯性环节或二阶惯性环节,达林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数
,相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联,即,(s)
,se,(s),,,,NT
s,1该算法控制将调整时间的要求放在次要,而超调量小甚至没有放在首位。
控制原理如图2-1,
1.46se其中:
采样周期,G(s),=0.9秒,期望传递函数=0.5秒,被控对象;
输入T03.34s,1信号为单位阶跃信号。
(z)
G(z)
Y(z)R(z)
TTU(z)es()E(z)Gs()D(z)G(s)0h0TT+Y(s)R(s)_
G(s)
图2-1纯滞后系统控制原理图应用大林算法进行纯滞后系统设计D(z)控制器,进行系统分析。
(1)按照纯滞后控制系统要求设计D(z);
(2)按照系统原理图,在simulink下构造系统结构图模型;(3)分别做出系统有振铃和消除振铃的仿真波形图,标明参数,打印结果(包括系统的输
出和控制器的输出)。
(1)纯滞后控制系统对阶跃信号有无超调?
为什么?
(2)纯滞后控制与PID控制有什么本质区别?
消除振铃前后系统输出有什么不同?
3
1)了解二位式温度控制系统的结构与组成。
2)掌握位式控制系统的工作原理及其调试方法。
1)TKGK-1型过程控制实验装置:
位式控制器GK-05、变频器GK-07-2
2)万用表一只
3)计算机系统
1)温度传感器温度测量通常采用热电阻元件(感温元件)。
它是利用金属导体的电阻值随温度变化而
变化的特性来进行温度测量的。
其电阻值与温度间的关系式为
Rt=RtO[1+a(t-to)]
式中:
Rt——温度为t(如室温20?
)时的电阻值;
RtO――温度为t0(通常为0?
)时的电阻值;
a――电阻的温度系数。
可见,由于温度的变化,导致了金属导体电阻的变化。
这样只要设法测出电阻值的变化,
就可达到温度测量的目的。
本装置使用的是铂电阻元件PT1O0并通过温度变
送器(测量电桥或分压采样电路或者AI人工智能工业调节器)将电阻值的变化转
换为电压信号
2)二位式温度控制系统
本实验的被控对象是电热丝,被控制量是复合水箱中内套的水温T,温度变送
器把被控制量T转变为反馈电压Vi,它与二位调节器设定的上限输入Vmax和下限输入Vmin比较,从而决定二位调节器的输出信号;调节器的输出电压V0(5V)作
为执行元件的控制信号。
V0与Vmin和Vmax的关系如图3-1所示,图3-2为位式
图3-1V与Vmin、VmaxVi关系图图3-2位式控制系统的方块图0
由图3-1可见,V0与Vi的关系不仅有死区存在,而且还有回环,因而图3-2所示的系统实质上是一个典型的非线性控制系统。
执行器只有“开”或“关”两种极限工作状态,故
称这种控制器为两位调节器。
该系统的工作原理是:
当被控制的水温T减小
到小于设定下限值时,即Vi?
Vmin时,调节器的输出为V0(5V),执行元件(固态继电器)接通,使电
热丝接通220V电源加热(如图3-3所示)。
随着水温T的升高,Vi也不断增大,当增大到
大于设定上限值时,即Vi?
Vmax时,则两位调节器的输出V0由5V降到0V,此
时固态继电器释放,切断电热丝的供电。
温度给定值是由GK-05挂件上的给定信号源给
电当迸
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定,其中RP1电位器用于设定Vmin,RP2电位器用
于设定Vmax(要求Vmax-Vmin?
1V。
被控对象为
复合水箱中的电热丝,被控制量为内套的水温,它
由铂电阻PT100测定,并经温度变送器AI708送到
位式控制挂件GK-05的Vi端。
位式控制是根据测得
温度与设定温度上、下限进行比较,发出使固态继电器通断的控制信号,从而达到控制水箱中水温的目的。
由过程控制原理可知,双位控制系统的输出是一个断续控制作用下的等幅振荡过程,如
图2-4所示。
因此不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡
量,而用振幅图3-3位式控制系统结构图和周期作为品质的指标。
一般要求振幅小,周期长,然而对
同一双位控制系统来说,若要振幅小,则周期必然
.短;若要周期长,则振幅必然大。
T(c)1因此通过合理选择中间区以使振幅在限定范围
内,而又尽可能获得较长的周期。
0t(s)
图3-4双位控制系统的响应曲线
1)按图2-2所示的方块图,利用TKGK-1型实验装置组成控制系统。
位式控制
器输出端
V接加热器控制信号的输入端“TR,GK-05给定信号分别接“VmaX和
“Vmin”,将AI-708O
的变送输出信号“TT'接到GK-05的“Vi”端。
2)启动电源,分别调节好Vmin和Vmax的设定值。
3)以复合加热水箱作为被控对象,手动控制交流电机使之恒速往复合加热水箱内套加
水。
4)打开GK-01上的加热开关,使系统投入运行。
5)系统运行后,通过计算机监控软件记录水温变化过程的实时曲线。
待稳定
振荡2〜3个周期后,观察位式控制过程曲线的振荡周期和振幅大小。
实验数据记录如下:
S(秒)
T(?
)
6)打开阀1和阀6,关闭阀2、阀3、阀4和阀5、阀7、阀8,启动实验装置的供水系
统,给复合水箱的外套水箱加流动冷却水,重复上述的实验步骤。
5
1)Vmax必须要大于Vmin(—般要求Vmax-Vmin?
1V。
2)实验线路全部接好后,必须经指导老师检查认可后,方可接通电源开始实验。
3)在老师指导下将计算机接入系统,利用计算机显示屏作记录仪使用,并保存每次实
验记录的数据和曲线。
1)画出不同Vmax、Vmin时的系统被控制量的过渡过程曲线,记录相应的振荡周期和振
荡幅度的大小。
2)画出加冷却水时被控量的动态响应曲线,并比较振荡周期和振荡幅度大小。
3)综合分析位式控制系统的特点。
1)为什么缩小Vmax与Vmin间差值,能改善双位控制系统的性能?
2)为什
么实际的双位控制特性与理想的双位控制特性有着明显的差异?
1)、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2)、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。
3)、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。
4)、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。
1)、
THGK-1型过程控制实验装置:
GK-04GK-06GK-07-2
2)、万用表一只
3)、秒表一只
勺-:
学牡MO?
”包晁迪九埠列
4)、计算机系统
1、单容水箱液位控制系统
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图4—2单容液位控制系统结构图
图4-1单容水箱液位控制系统的方块图
图4-1为单容水箱液位控制系统结构图。
图4-2为单容水箱液位控制实际系统
结构。
这
是一个单回路反馈控制系统,它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度;减小或
消除来自系统内部或外部扰动的影响。
单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、
且能满足一般生产过程的要求,故它在过程控制中得到广泛地应用。
(一)、比例(P)调节器控制
1)、按图4-1所示,将系统接成单回路反馈系统。
其中被控对象是上水箱,
被控制量是
该水箱的液位高度h。
1
2)、启动工艺流程并开启相关的仪器,调整传感器输出的零点与增益。
3)、在开环状态下,利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值(一
般把液位高度控制在水箱高度的50%点处)。
4)、观察计算机显示屏上的曲线,待被调参数基本达到给定值后,即可将调节器切换到
纯比例自动工作状态(积分时间常数设置于最大,积分、微分作用的开关都处于“关”的位
置,比例度设置于某一中间值,“正-反”开关拔到“反”的位置,调节器的“手动”开关拨
到“自动”位置),让系统投入闭环运行。
5)、待系统稳定后,对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动,一般可通过改变设
定值实现)。
记录曲线在经过几次波动稳定下来后,系统有稳态误差,并记录余差大小。
6)、减小S,重复步骤5,观察过渡过程曲线,并记录余差大小。
7)、增大重复步骤5,观察过渡过程曲线,并记录余差大小。
8)、选择合适的S值就可以得到比较满意的过程控制曲线。
9)、注意:
每当做完一次试验后,必须待系统稳定后再做另一次试验。
(二)、比例积分调节器(PI)控制
1)、在比例调节实验的基础上,加入积分作用(即把积分器“I”由最大处
“关”旋至中间某一位置,并把积分开关置于“开”的位置),观察被控制量是否能回到设定值,以验
证在PI控制下,系统对阶跃扰动无余