过程控制实验报告.doc

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过程控制系统Matlab/Simulink仿真实验

实验一过程控制系统建模 ………………………………………………………1

实验二PID控制 ………………………………………………………………10

实验三串级控制 ………………………………………………………………27

实验四比值控制 ………………………………………………………………35

实验五解耦控制系统 ……………………………………………………………40

实验一过程控制系统建模

作业题目一：

常见的工业过程动态特性的类型有哪几种？

通常的模型都有哪些？

在Simulink中建立相应模型，并求单位阶跃响应曲线。

答：

常见的工业过程动态特性的类型有：

无自平衡能力的单容对象特性、有自平衡能力的单容对象特性、有相互影响的多容对象的动态特性、无相互影响的多容对象的动态特性等。

通常的模型有一阶惯性模型，二阶模型等。

（1）无自平衡能力的单容对象特性：

两个无自衡单容过程的模型分别为和，在Simulink中建立模型如下

单位阶跃响应曲线如下：

（2）有自平衡能力的单容对象特性：

两个自衡单容过程的模型分别为和，在Simulink中建立模型如下：

单位阶跃响应曲线如下：

（3）有相互影响的多容对象的动态特性：

有相互影响的多容过程的模型为，当参数,时，在Simulink中建立模型如下：

单位阶跃响应曲线如下：

（4）无相互影响的多容对象的动态特性：

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），在Simulink中建立模型如下

单位阶跃响应曲线如下

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0.1,0.8,1.0,2.0时的单位阶跃响应曲线；

（2）不变时，分别为2,5,8,10时的单位阶跃响应曲线。

（3），为0.1时的单位阶跃响应曲线：

，为0.8时的单位阶跃响应曲线：

，为1.0时的单位阶跃响应曲线：

，为2.0时的单位阶跃响应曲线：

（2），为2时的单位阶跃响应曲线：

，为5时的单位阶跃响应曲线：

，为8时的单位阶跃响应曲线：

，为10时的单位阶跃响应曲线：

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Simulink原理图如下

2.双击原理图中的PID模块，出现参数设定对话框如下

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，调整比例增益，观察响应曲线的变化，分析系统性能的变化：

P=0.5时的响应曲线如下：

P=2时的响应曲线如下：

P=5时的响应曲线如下：

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. 将控制器的功能改为比例微分控制，调整参数，观测系统的响应曲线，分析比例微分的作用。

P=2，D=0.1时的相应曲线如下：

P=2，D=0.5时的相应曲线如下：

P=2，D=2时的相应曲线如下：

P=2，D=5时的相应曲线如下：

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. 将控制器的功能改为比例积分控制，调整参数，观测系统的响应曲线，分析比例积分的作用。

P=2，I=0.1时的响应曲线如下：

P=2，I=0.5时的响应曲线如下：

P=2，I=1时的响应曲线如下：

P=2，I=1.5时的响应曲线如下：

P=2，I=2时的响应曲线如下：

由以上五组响应曲线可以看出，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.将控制器的功能改为比例积分微分控制，调整参数，观测系统的响应曲线，分析比例积分微分的作用。

P=2，I=0.5，D=0.2的响应曲线如下

P=2，I=0.5，D=1的响应曲线如下

P=2，I=0.5，D=3的响应曲线如下

P=2，I=0.5，D=20的响应曲线如下

P=2，I=0.1，D=0.5的响应曲线如下

P=2，I=0.5，D=0.5的响应曲线如下

P=2，I=1，D=0.5的响应曲线如下

P=2，I=2.3，D=0.5的响应曲线如下

P=2，I=3，D=0.5的响应曲线如下

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，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=0.5，第一个波峰值y1=0.72，第二个波峰值y2=0.55，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=0.93，第一个波峰值y1=1.6，第二个波峰值y2=1.25，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。

经过调整，当比例P=2.7时，系统输出呈现临界振荡波形，如下图所示。

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。

经过调整，当比例P=2，I=0.6时，终值r=1，第一个波峰值y1=1.28，第二个波峰值y2=1.14，衰减比约为2，如下图所示。

经过调整，当比例P=5，I=0.3时，终值r=1，第一个波峰值y1=1.4，第二个波峰值y2=1.1，衰减比约为4，如下图所示。

经过调整，当比例P=4，I=0.15时，终值r=1，第一个波峰值y1=1.3，第二个波峰值y2=1.03，衰减比约为10，如下图所示。

11. 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。

经过调整，当比例P=6，I=1，D=0.05时，终值r=1，第一个波峰值y1=1.5，第二个波峰值y2=1.25，衰减比约为2，如下图所示。

经过调整，当比例P=12，I=1，D=1时，终值r=1，第一个波峰值y1=1.4，第二个波峰值y2=1.1，衰减比约为4，如下图所示。

经过调整，当比例P=6，I=1，D=1时，终值r=1，第一个波峰值y1=1.3，第二个波峰值y2=1.03，衰减比约为10，如下图所示。

实验三串级控制

作业题目：

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

（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。

（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。

用simulink画出上述两个系统的仿真框图如下：

单回路控制系统方框图如下

串级控制系统方框图如下

图为单回路控制系统的Simulink图，其中，PIDC1为单回路PID控制器，d1为一次扰动，取阶跃信号；d2为二次扰动，取阶跃信号；Go2为副对象，Go1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号，y为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。

经过不断的试验，当输入比例系数为260，积分系数为0，微分系数为140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：

采用这套PID参数时，二次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下

系统的输出响应如下图：

采用这套PID参数时，一次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下

系统的输出响应如下

综合以上各图可以看出采用单回路控制，系统的阶跃响应达到要求时，系统对一次，二次扰动的抑制效果不是很好。

图是采用串级控制时的情况，q1为一次扰动，取阶跃信号；q2为二次扰动，取阶跃信号；PIDC1为主控制器，采用PD控制，PIDC2为副控制器，采用P控制；Go2为副对象，Go1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号；y为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。

经过不断试验，当PIDC1为主控制器输入比例系数为550，积分系数为0，微分系数为80时；当PIDC2为主控制器输入比例系数为3，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，置输入为0，系统的框图如下

系统的输出响应如下图

采用这套PID参数时，一次扰动作用下，置输入为0，系统的框图如下

系统的输出响应如下图

综合以上各图可以看出，采用串级控制，系统的阶跃响应达到要求时，系统对一次扰动，二次扰动的抑制也能达到很好的效果。

综合单回路控制和串级控制的情况，系统的控制性能对比如下表所示。

系统采用单回路控制和串级控制的对比

控制品质指标

单回路控制

Kc1=260，Tc1=140

串级控制

Kc1=550，Tc1=80，Kc2=3

衰减率

0.75

0.75

调节时间

50

20

残偏差

0

0

二次阶跃扰动下的系统短期最大偏差

0.0038

0.0006

一次阶跃扰动下的系统短期最大偏差

0.013

0.0055

从表中可以看出系统的动态过程改善更为明显，可见对二次扰动的最大动态偏差可以减小约6倍，对一次扰动的最大动态偏差也可以减小约2.4倍，系统的调节时