《热工过程自动调节》实验指导书.docx
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《热工过程自动调节》实验指导书
《热工过程自动调节》
实验指导书
高伟 鲁录义 编
华中科技大学
能源与动力工程学院
二O一三年
实验一典型环节的动态特性
一、实验目的
1．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的响应曲线，熟悉它们的动态特性。
2．了解各典型环节中参数变化对其动态特性的影响。
二、实验仪器与软件
1．PC机 1台
2．MATLAB10.0环境
三、实验内容
分别改变几个典型环节的相关参数，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况（曲线至少3条），并得出规律。
1）比例环节（K）
2）积分环节（
）
3）一阶惯性环节（
）
4）实际微分环节（
）
5）典型二阶环节（
）
同时显示三条响应曲线时的仿真框图可采用如图1－1所求形式，其中传递函数的形式根据不同环节进行设置。
图1-1 多响应输出示意图
四、实验原理
1．比例环节的传递函数为
其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-2所示。
图1-2比例环节的模拟电路及SIMULINK图形
2．积分环节（I）的传递函数为
其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-3所示。
图1-3 积分环节的模拟电路及及SIMULINK图形
3．惯性环节的传递函数为
其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-4所示。
图1-4 惯性环节的模拟电路及SIMULINK图形
4．微分环节（D）的传递函数为
其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-5所示。
图1-5 微分环节的模拟电路及及SIMULINK图形
5．典型二阶环节的传递函数为
其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-6所示。
图1-6 二阶环节的模拟电路及及SIMULINK图形
五、实验步骤
1）运行MATLAB软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令，按Enter键或在工具栏单击
按钮，即可进入SIMULINK仿真环境下。
2）选择File菜单下New下的Model命令，新建一个simulink仿真环境常规模板。
3）参照图1-1，建立三个比例环节，如图1－7所示。
通过改变增益大小，查看对应的单位阶跃响应曲线，如图1－8所示。
图1－7 比例环节多输出模型
图1－8 比例环节多输出示意
4）积分环节、实际微分环节、一阶惯性环节参考步骤2。
5）典型二阶环节G（S）=
，在ξ与ωn取不同值，观察对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）
①令ωn=1，ξ取不同值：
ξ1=0；ξ2=0.5,ξ3=0.8（0<ξ<1）；ξ4=1；ξ5=4（ξ≥1）；
②令ξ=0，ωn取不同值：
ωn1=1；ωn2=3；
③令ξ=0.216，ωn取不同值：
ωn1=1；ωn2=3；
六、实验报告要求
1．画出各典型环节的SIMULINK仿真模型。
2.记录各环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。
3.写出实验的心得与体会。
实验二基于MATLAB的PID控制研究
一、实验目的：
1．理解PID的基本原理
2．研究PID控制器的参数对于系统性能的影响
二、实验仪器与软件
1．PC机 1台
2．MATLAB10.0环境
三、实验内容
1、利用Matlab软件，针对控制对象设计单闭环PID控制系统
2、通过调节PID控制器的参数，研究PID控制参数对系统性能的影响
四、实验原理
单闭环PID的控制系统的作用框图如下：
控制器
控制对象
输入
+
输出
——
图2－1 单闭环PID的控制系统
比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。
比例控制作用及时，能迅速反应误差，从而减小稳态误差。
但是，比例控制不能消除稳态误差。
其调节器用在控制系统中，会使系统出现余差。
为了减少余差，可适当增大
，
愈大，余差就愈小；但
增大会引起系统的不稳定，使系统的稳定性变差，容易产生振荡。
积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
积分控制的作用是消除稳态误差。
只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。
积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
微分控制能够预测误差变化的趋势，可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高。
同时，加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。
PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。
它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合，如温度控制、成分控制等。
图2－2为单位阶跃作用下，各个调节系统的阶跃响应曲线
图2-2阶跃响应整定法设计的P、PI、PID控制阶跃响应
五、实验步骤
1．运行MATLAB软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令，按Enter键或在工具栏单击按钮，即可进入SIMULINK仿真环境下。
2．选择File菜单下New下的Model命令，新建一个simulink仿真环境常规模板。
3．设定受控对象
构建单位负反馈PID闭环控制系统
4．设定
1、
0、Kd=0，观察记录其单位阶跃响应曲线
图2-3设计
1
0
Kd=0时的PID控制器的模拟系统
5．加入比例控制环节，令Kp=2、4、12.5、15观察记录其反应曲线并记录下表
比例系数
超调量
上升时间
稳态误差
图2-4
1、
0、Kd=0时的单位阶跃响应曲线
6．加入积分控制环节固定
4
Kd=0，完成下表并记录其单位阶跃响应
积分系数
0.1
0.2
0.3
0.4
超调量
调节时间（稳态误差2%时）
稳态误差
7．加入积分控制环节固定
4
Ki=0.2，完成下表并记录其单位阶跃响应
微分系数
2
5
10
50
超调量
调节时间（稳态误差2%时）
稳态误差
8．调整适合的PID，得到一条各方面均优于上述步骤的单位响应曲线
六、实验报告要求
1．画出各典型环节的SIMULINK仿真模型。
2.记录各环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。
3．如何减小或消除稳态误差？
纯比例控制环节能否消除稳态误差？
4.写出实验的心得与体会。
附录：
Simulink仿真集成环境简介
Simulink是可视化动态系统仿真环境。
1990年正式由Mathworks公司引入到MATLAB中，它是Slmutation和Link的结合。
目前介绍Simulink的资料有很多，这里主要介绍它的基本使用方法和它在控制系统仿真分析和设计操作的有关内容。
1．进入Simulink操作环境
双击桌面上的MATLAB图标，启动MATLAB，进入开发环境，如图0-1所示。
图0-1MATLAB开发环境
图0-2Simulink图形库浏览器画面
从MATLAB的桌面操作环境画面进入Simulink操作环境有多种方法，介绍如下。
①点击工具栏的Simulink图标
弹出如图0-2的图形库浏览器画面。
②在命令窗口键入“simulink”命令，可自动弹出图形库浏览器。
上述两种方法需从该画面“File”下拉式菜单中选择“New|Model”，或点击图标
得到图0-3的图形仿真操作画面。
图0-3Simulink仿真操作环境画面
③从“File”下拉式菜单中选择“New|Model”，弹出如图0—3所示的未命名的图形仿真画面。
本方法需从工具栏中点击图形库浏览器图标，调出图0—2的图形库浏览器画面。
图0-3用于仿真操作，图0—2的图形库用于提取仿真所需功能模块。
图0—4是已建立的一个一阶惯性加时滞对象的单回路控制系统仿真框图。
下面将对建立这样的仿真系统用到的一些具体操作作个介绍。
图0-4仿真系统框图
2．提取所需仿真模块
在提取所需仿真模块前，应绘制仿真系统框图，并确定仿真所用的参数。
图0—2中的仿真用图形库，提供了所需的基本功能模块，能满足系统仿真的需要。
该图形库有多种图形子库，用于配合有关的工具箱。
下面将对本书中的实验可能用到的Simulink图形库中的功能模块作一个简单介绍。
（1）信号源模块组（Sources）
信号源模块组包括各种各样的常用输入信号，如图0-5所示。
图0-5信号源模块组
·输入端口模块（In）——用来反映整个系统的输入端子，这样的设置在模型线性化与命令行仿真时是必需的。
·普通信号源发生器（SignalGenerator）——能够生成若干种常用信号，如方波信号、正弦波信号、锯齿波信号等，允许用户自由地调整其幅值、相位及其它信号。
·读文件模块（FromFile）和读工作空间模块（FromWorkspace）——两个模块允许从文件或MATLAB工作空间中读取信号作为输入信号。
·时间信号模块（Clock）——生成当前仿真时钟，在与时间有关的指标求取中是很有意义的，例如获取系统的ITAE准则等。
（积分时间和绝对误差积分准则，IntegratedTimeandAbsoluteError-ITAE。
按此准则设计的控制系统，瞬态响应的振荡性小，且对参数具有良好的选择性。
缺点是用分析法计算很困难。
）
·常数输入模块（Constant）——此模块以常数作为输入，可以在很多模型中使用该模块。
·其他类型的输入信号，如阶跃输入（Step）、斜坡输入（Ramp）、脉冲信号（PulseGenetator）、正弦信号（SineWave）等。
（2）连续模块组（Continuous）
连续模块组包括常用的连续模块，如图0-6所示。
图0-6连续模块组
·积分器（Integrator）——连续动态系统最常用的元件，这模块将输入端信号经过数值积分，在输出端直接反映出来。
在将常微分方程转换为图形表示时也必须使用此模块。
·数值微分器（Derivative）——该模块的作用是将其输入端的信号经过一阶数值微分，在输出端输出。
在实际应用中应该尽量避免使用该模块。
·传递函数（TransferFun）——传递函数是常用的描述线性微分方程的一种方法，通过引入Laplace变换可以将原来的线性微分方程在零初始条件下变换成“代数”的形式，从而以多项式的比值形式描述系统，传递函数的一般形式为
·零极点（Pole-Zero）——将传递函数模型的分子和分母分别进行因式分解，则可以将其变换成
其中K称为系统的增益，-zi，（i＝1，…，m）称为系统的零点，而-pi，（i＝1，…，n）称为系统的极点。
·时间延迟（TransportDelay或VariableTransportDelay）——用于将输入信号延迟指定的时间后传输给输出信号。
两个模块的区别在于：
前者在模块内部参数中设置延迟时间，而后者将采用输入信号来定义延迟时间。
（3）数学函数模块组（MathOperations）
数学函数模块组包含有各种各样的数学函数运算模块，如图0—7所示。
图0-7数学函数模块组
·增益函数（Gain）——输出信号等于输入信号乘以增益模块中指定的数值。
更一般地，还有对矩阵进行乘法的矩阵增益模块（MatrixGain）。
·求和模块（Sum）——将输入的多路信号进行求和或求差，计算出输出信号。
在组建反馈控制系统框图时必须采用该模块。
·一般数学函数，如绝对值函数（Abs）、符号函数（Sign）、三角函数（TrigonometricFunction）、取整模块（RoundingFunction）等。
（4）输出池模块组（Sinks）
输出池模块组包含那些能显示计算结果的模块，如图0—8所示。
图0-8输出池模块组
·输出端口模块（Out）——用来反映整个系统的输出端子，这样的设置在模型线性化与命令行仿真时是必需的，另外，系统直接仿真时这样的输出将自动在MATLAB工作空间中生成变量。
·示波器模块（Scope）——将输入信号在示波器中显示出来。
·x-y示波器（x-yGraph）——将两路输入信号分别作为示波器的两个坐标轴，将信号的相轨迹显示出来。
·工作空间写入模块（ToWorkspace）——将输入信号直接写到MATLAB的工作空间中。
·写文件模块（ToFile）——将输入的信号写到文件中。
·数字显示模块（Display）——将输入信号以数字的形式显示出来。
·仿真终止模块（StopSimulation）——如果输入的信号为非零时，将强行终止正在进行
的仿真过程。
·信号终结模块（Terminator）——可以将该模块连接到闲置的未连接的模块输出信号上，避免出现警告。
（5）信号与系统模块组（SignalRouting）
信号与系统模块组包含的模块如图0—9所示。
图0-9信号与系统模块组
·混路器（Mux）和分路器（Demux）——混路器将多路信号依照向量的形式混合成一路信号。
例如，可以将要观测的多路信号合并成一路，连接到示波器上显示，这样就可以将这些信号同时显示出来。
分路器是将混路器组成的信号依照原来的构成方法解成多路信号。
这里未作介绍的图形子库及其余模块的功能请查阅其它相关参考资料。
提取所需仿真模块，组成仿真系统的使用方法是从图0-2中用鼠标点击打开所需子图形库，用鼠标选中所需功能模块，将其拖曳到图0-3中的空白位置，重复上述拖曳过程，直到将所需的全部功能模块拖曳到图0-3中。
拖曳时应注意下列事项：
①根据仿真系统框图，选择合适的功能模块进行拖曳；
②根据仿真系统框图，将有关的功能模块拖曳到合适的位置，以便于下一步的连接；
③对仿真系统中重复的功能模块，可以采用复制（Ctrl＋C）和粘贴（Ctrl＋V）操作，也可多次拖曳相同的功能模块到图0-3中；
④功能模块和图0-3的大小可以用鼠标移动到图标或图边，在出现双向箭头后进行放大或缩小的操作；
⑤选中功能模块的方法是，直接点击功能模块，用鼠标选定所需功能模块区域来选中区域内的所有功能模块和连接线，点击选中，并按下“Shift’键，再点击其他功能模块等；
⑥功能模块的复制、剪切和粘贴操作的方法与Windows的相应操作方法相同。
3．功能模块的连接
根据仿真系统框图，用鼠标点击并移动所需功能模块到合适的位置，将鼠标移到有关功能模块的输出端（有一个向外的箭头），选中该输出端并移动鼠标到另—个功能模块的输入端（有—个向内的箭头），移动时出现虚线．到达所需输入端时，释放鼠标左键，相应的连接线出现，表示该连接已完成。
重复上述连接过程，直到完成全部连接，组成仿真系统。
连接时，应注意下列几点：
①从功能模块输出端连接到另一功能模块的输入端，也可从一个功能模块输入端反向连接到另一个功能模块的输出端；
②一个输出端连接多个输入端时，可采用从—个功能模块输入端连接到另一个功能模块输出端的方法，或直接与该功能模块输出端的引出线连接。
在连接时，可在连接线交点处按下“Shift”键，再释放鼠标左键；
③移动连接线位置的方法是，选中连接线，在连接线的各转角处出现小方块，鼠标选中所需方块，拖动到合适位置后释放鼠标左键；
④增加连接线转折点的方法是，选中连接线，鼠标移到所需增加转折点处，按下“Shift”键，点击鼠标左键，移动转折点到所需位置；
⑤连接线的复制、粘贴和剪切等操作方法与Windows对应的操作方法相同；
4．功能模块参数设置
使用者需设置功能模块参数后，方可进行仿真操作。
不同功能模块的参数是不相同的，用鼠标双击该功能模块自动弹出相应的参数设置对话框。
图0-10传递函数模型参数设置对话框
例如，图0-10是传递函数模型功能模块的对话框。
功能模块对话框由功能模块说明和参数设置框组成。
功能模块说明框用于说明该功能模块使用方法和功能；参数框用于设置该功能模块的参数。
例如传递函数参数框由分子和分母多项式两个编辑框组成，在分子多项式框中，用户可输入系统模型的分子多项式，在分母多项式框中，输入系统模型的分母多项式等。
设置功能模块的参数后，点击OK软键进行确认，将设置参数送仿真操作画面，并关闭对话框。
5．仿真系统操作参数设置
在仿真操作前，应设置仿真操作的参数。
包括仿真器参数和示波器参数的设置。
（1）仿真器参数设置
点击图0-3操作画面“Simulation”下拉式菜单“SimulationParameters…”选项，弹出如图0-11所示的仿真参数设置画面。
共有解算器（Solver）、工作空间输人输出（WorkspaceI/O）、诊断（Diagnostics）、高级属性（Advanced）和实时工作室（Real-TimeWorkshop）等5个页面。
图0—11仿真器参数设置对话框
解算器页面用于设置仿真开始和终止时间，解算器类型（定步长和变步长两类）和具体的解算算法、最大最小步长和初始步长、容许误差（相对和绝对误差）、输出方式和精细因子设置等。
通常，仿真操作时可根据仿真曲线设置终止时间和最大步长，以便得到较光滑的输出曲线。
工作空间输入输出页面用于将仿真操作窗口的仿真结果送（写）到MATLAB工作空间，或将数据从工作空间读到仿真操作窗口。
诊断页面用于对仿真中出现的异常情况进行诊断。
高级属性页面用于模型参数的在线组态和优化操作。
实时工作室页面用于设置系统目标文件、暂存构成文件和构成命令，建立目录等。
（2）示波器参数设置
当采用示波器显示仿真曲线时，需对示波器参数进行设置。
示波器有单踪和双踪示波器两种。
单踪示被器指显示输入信号（可以有多个输入信号）与时间关系的设备，双踪示波器指显示两个输入信号之间关系的设备。
●单踪示波器参数设置操作点击图0—3中已存在的示波器，弹出如图0—12所示的单踪示波器显示画面，点击画面的图标
，弹出如图0-13所示的示波器属性对话框，分2个页面。
用于设置显示坐标窗口数、显示时间范围、标记和显示频率或采样时间等。
时间范围应与仿真器终止时间一致，以便最大限度显示仿真操作数据。
鼠标右键点击示波器显示窗口，从弹出菜单选择“Autoscale”，或直接点击图标
，可在响应曲线显示后自动调整纵坐标范围；从弹出的菜单选择“Savecurrentaxessettings”，或直接点击图标
，将当前坐标轴范围的设置数据存储。
此外，还有打印和对X、Y或同时放大或恢复等操作。
●双踪示波器参数设置操作双踪示波器的参数即该功能模块的参数，有X和Y坐标的范围和采样时间设置。
图0—12单踪示波器显示画面图0-13单踪示波器属性对话框
6. SIMULINK基本模块
1．连续系统模块库（Continous）
连续系统模块库以及其中各模块的功能如图1及表1所示。
图1连续系统模块库
表1连续系统模块功能
模块名称
模块功能
Derivative
对输入信号进行微分
Integrator
对输入信号进行积分
Memory
输出本模块上一步的输入值
State-Space
建立一个线性状态空间模型
TransferFcn
建立一个线性传递函数模型
TransportDelay
对输入信号进行给定的延迟
VaribleTransportDelay
对输入信号进行不定量的延迟
ZeroPole
以零极点形式建立一个传递函数模型
2．离散系统模块库（Discrete）
离散系统模块库以及其中各子模块的功能如图2及表2所示。
图2离散系统模块库
表2离散系统模块功能
模块名称
模块功能
DiscreteFilter
建立离散（IIR和FIR）滤波器
DiscreteState-Space
建立一个离散状态空间模型
DiscreteTransferFcn
建立一个离散传递函数
DiscreteZero-Pole
建立一个零极点形式离散传递函数
Discrete-TimeIntegrator
对一个信号进行离散时间积分
First-OrderHold
建立一阶采样保持器
UnitDelay
对采样信号保持，延迟一个采样周期
Zero-OrderHold
建立零阶采样保持器
3．函数与表模块库（Functions&Tables）
函数与表库以及其中各模块的功能如图3及表3所示。
图3函数与表模块库
表3函数与表模块功能
模块名称
模块用途
DirectLook-UpTable（n-D）
表数据选择器（从表中选择数据）
Fcn
求取输入信号的数学函数值
Interpolation（n-D）usingPreLook-Up
对输入信号进行内插运算
Look-UpTable
输入信号的一维线性内插
Look-UpTable（2-D）
输入信号的二维线性内插
Look-UpTable（n-D）
输入信号的n维线性内插
MATLABFcn
M函数（对输入进行运算输出结果）
Polynomial
多项式求值
PreLook-UpIndexSearch
查找输入信号所在范围
S-Function
S-函数模块
S-FunctionBuilder
S-函数生成器
4．数学运算模块库（Math）
数学运算库以及其中各子模块的功能如图4及表4所示。
图4数学运算模块库
表4数学运算模块功能
模块名称
模块功能
Abs
求绝对值或求模（对复数）
AlgebraicConstraint
输出强制系统输入为零的代数状态
BitwiseLogicalOperator
按位逻辑运算
CombinnatorrialLogic
逻辑真值查找
ComplextoMagnitude-Angle
输出输入复数的幅值与相位
ComplextoReal-Imag
输出系统输入的实部或虚部
DotProduct
点乘运算
Gain
信号增益
LogicalOperator
信号逻辑运算
Magnitud
升级会员 