最少拍控制系统Word文档格式.docx
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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；
（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
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。
TTU（z）es（）E（z）Gs（）D（z）G（s）0h0TT+Y（s）R（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?
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
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