過程控制實驗報告

1、過程控制系統(tǒng)Matlab/Simulink仿真實驗實驗一過程控制系統(tǒng)建模1實驗二PID控制10實驗三串級控制27實驗四比值控制35實驗五解耦控制系統(tǒng)40實驗一過程控制系統(tǒng)建模作業(yè)題目一：常見的工業(yè)過程動態(tài)特性的類型有哪幾種？通常的模型都有哪些？在Simulink中建立相應模型，并求單位階躍響應曲線。答：常見的工業(yè)過程動態(tài)特性的類型有：無自平衡能力的單容對象特性、有自平衡能力的單容對象特性、有相互影響的多容對象的動態(tài)特性、無相互影響的多容對象的動態(tài)特性等。通常的模型有一階慣性模型，二階模型等。(1)無自平衡能力的單容對象特性：兩個無自衡單容過程的模型分別為G(s)=丄和G(s)=丄e-5s，在S

2、imulink中建立模0.5s0.5s型如下GainIntzrtDTS-iOCZ-pE100%ode45Integirst»3r1TranspcitDelayFileEditViewSimuliationFormatToolsHelpnwq倉禽爲応|4=£令匕a|卜pfn單位階躍響應曲線如下：6040101015202530昌1=3匹)於昇髀謫認白50-30-20-0”-L05Timeoffset:0單位階躍響應曲線如下：在Simulink中建立模型如下：(2)有自平衡能力的單容對象特性：22兩個自衡單容過程的模型分別為G(s)=和G(s)=2s+12s+115202530

3、尋自PPPABS01-1?2r1.1-廠1J-/?1J-/"/o.eI-/o.J-/0.2/丄05Timeoffset:D3)有相互影響的多容對象的動態(tài)特性：有相互影響的多容過程的模型為G(s)二，當參數(shù)T=1,乜=0,0.3,1,1.2T2s2+2Ts+1時，在Simulink中建立模型如下：4)無相互影響的多容對象的動態(tài)特性：兩個無相互影響的多容過程的模型為G(s)=1(2s+1)(s+1)多容有自衡能力的對象)和1s(2s+1)多容無自衡能力的對象)，在Simulink中建立模型如下25I2015105051520253Timeoffset:0a3色於i30作業(yè)題目二：某二階系

4、統(tǒng)的模型為G(s)二s2+2Qes+e2nn，二階系統(tǒng)的性能主要取決于匚,e兩個n參數(shù)。試利用Simulink仿真兩個參數(shù)的變化對二階系統(tǒng)輸出響應的影響，加深對二階系統(tǒng)的理解，分別進行下列仿真：(1) e二2不變時，匸分別為0.1,0.8,1.0,2.0時的單位階躍響應曲線;n(3) e二2，匚為0.1時的單位階躍響應曲線：=2，:為0.8時的單位階躍響應曲線:ene=2,匚為1.0時的單位階躍響應曲線:ne二2,:為2.0時的單位階躍響應曲線:nM更NI(2):=0.8,e為2時的單位階躍響應曲線:n:=08,e為5時的單位階躍響應曲線:n匚=0.8,e為8時的單位階躍響應曲線:n匚=0.8

5、,e為10時的單位階躍響應曲線:n實驗二PID控制作業(yè)題目：建立如下所示Simulink仿真系統(tǒng)圖。利用Simulink仿真軟件進行如下實驗1.建立Simulink原理圖如下FileEditVi&wSimulationFormatToolsHelp啟口骨黑著趙(40|Normal三|鳥匡Ready10OT6ode452.雙擊原理圖中的PID模塊，出現(xiàn)參數(shù)設定對話框如下習FunctfonBlockParameters:PIDController|亠FarazieteTEFancelHelpApplySutsystezi；Fask；P=2時的響應曲線如下：將PID控制器的積分增益和微分增益

6、改為0，使其具有比例調節(jié)功能，對系統(tǒng)進行純比例控制。3. 進行仿真，調整比例增益，觀察響應曲線的變化，分析系統(tǒng)性能的變化P=0.5時的響應曲線如下：P=5時的響應曲線如下：由以上三組響應曲線可以看出，純比例控制對系統(tǒng)性能的影響為：比例調節(jié)的余差隨著比例帶的加大而加大，減小比例帶就等于加大調節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導致系統(tǒng)真激烈震蕩甚至不穩(wěn)定，比例帶很大時，被調量可以沒有超調，但余差很大，調節(jié)時間也很長減小比例帶就引起被調量的來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，余差相應減少。4. 將控制器的功能改為比例微分控制，調整參數(shù)，觀測系統(tǒng)的響應曲線，分析比例微分的作用。P=2，D=0.1時的相應曲線如下：

7、P=2，D=0.5時的相應曲線如下：P=2，D=5時的相應曲線如下：由以上四組響應曲線可以看出，比例微分控制對系統(tǒng)性能的影響為：可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引入適當?shù)奈⒎謩幼骺梢詼p小余差，并且減小了短期最大偏大，提高了振蕩頻率。5. 將控制器的功能改為比例積分控制，調整參數(shù)，觀測系統(tǒng)的響應曲線，分析比例積分的作用。P=2，I=0.1時的響應曲線如下：P=2，I=0.5時的響應曲線如下：P=2，I=1.5時的響應曲線如下：P=2，I=2時的響應曲線如下：由以上五組響應曲線可以看出，比例積分控制對系統(tǒng)性能的影響為：消除了系統(tǒng)余差，但降低了穩(wěn)定性，PI調節(jié)在比例帶不變的情況下，減小積分時間TI（增大積分增

8、益I）,將使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、振蕩加劇、調節(jié)過程加快、振蕩頻率升高。6. 將控制器的功能改為比例積分微分控制，調整參數(shù)，觀測系統(tǒng)的響應曲線，分析比例積分微分的作用。P=2，I=0.5，D=0.2的響應曲線如下P=2，I=0.5，D=1的響應曲線如下P=2，I=0.5，D=3的響應曲線如下P=2，I=0.5，D=#的響應曲線如下ILi.9ID.6D.2I10303D4000DO709D1C0OSG戸畫脅謫醫(yī)蜀壞Timeufiari0P=2，I=0.1，D=0.5的響應曲線如下P=2，I=0.5，D=0.5的響應曲線如下P=2，I=1，D=0.5的響應曲線如下P=2，I=2.3，D=0.5的響應

9、曲線如下P=2，I=3，D=0.5的響應曲線如下由以上幾組響應曲線可以看出，比例積分微分控制對系統(tǒng)性能的影響為：提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制動態(tài)偏差，減小余差，提高響應速度，當微分時間較小時，提高微分時間可以減小余差，提高響應速度并減小振蕩，當微分時間較大時，提高微分時間，振蕩會加劇。7. 將PID控制器的積分微分增益改為0對系統(tǒng)進行純比例控制，修改比例增益，使系統(tǒng)輸出的過度過程曲線的衰減比n=4,記下此時的比例增益值。經過調整，當比例P=1時，終值r=0.5，第一個波峰值y1=0.72，第二個波峰值y2=0.55,衰減比約為4，如下圖所示。8. 修改比例增益，使系統(tǒng)輸出的過度過程曲線的衰減比n=2，

10、記下此時的比例增益值。經過調整，當比例P=12時，終值r=0.93,第一個波峰值y1=1.6,第二個波峰值y2=1.25,衰減比約為2，如下圖所示。9. 修改比例增益，使系統(tǒng)輸出呈現(xiàn)臨界振蕩波形，記下此時的比例增益。經過調整，當比例P=2.7時，系統(tǒng)輸出呈現(xiàn)臨界振蕩波形，如下圖所示。o.sO.G040.223G910昌國門理網舛迢洞®ftTimeoffset:010. 將PID控制器的比例、積分增益進行修改，對系統(tǒng)進行比例積分控制。不斷修改比例、積分增益，使系統(tǒng)輸出的過渡過程曲線的衰減比n=2,4,10,記下此時比例和積分增益。經過調整,當比例P=2,1=0.6時，終值r=1,第一個

11、波峰值y1=1.28,第二個波峰值y2=1.14,衰減比約為2，如下圖所示。經過調整，當比例P=5,1=0.3時，終值r=1,第一個波峰值y1=1.4,第二個波峰值y2=1.1,衰減比約為4,如下圖所示。經過調整,當比例P=4,1=0.15時，終值r=1,第一個波峰值y1=1.3,第二個波峰值y2=1.03,衰減比約為10，如下圖所示。11. 將PID控制器的比例、積分、微分增益進行修改，對系統(tǒng)進行比例積分控制。不斷修改比例、積分、微分增益，使系統(tǒng)輸出的過度過程曲線的衰減比n=2,4,10，記下此時比例、積分、微分增益。經過調整，當比例P=6,1=1,D=0.05時，終值r=1,第一個波峰值y

12、1=1.5，第二個波峰值y2=1.25，衰減比約為2,如下圖所示。經過調整，當比例P=12，1=1，D=1時，終值r=1，第一個波峰值y1=1.4,第二個波峰值y2=l.l，衰減比約為4,如下圖所示。£Scope昌由|QQ£I|腐謫島白眉u1.50.5kn!iiiiii_012245G7e910Timeaffset0經過調整，當比例P=6,I=1,D=1時，終值r=1，第一個波峰值y1=1.3，第二個波峰值y2=1.03，衰減比約為10,如下圖所示。0.0060235B63IltneDTfaet-作業(yè)題目：實驗三串級控制串級控制系統(tǒng)仿真。已知某串級控制系統(tǒng)的主副對象的傳遞函

13、數(shù)Go1，Go2分別為：G（s）=1,G，副回路干擾通道的傳遞函數(shù)為：G（s）=ol100s+1o210s+1d2s2+20s+1（1）畫出串級控制系統(tǒng)的方框圖及相同控制對象下的單回路控制系統(tǒng)方框圖。（2）用Simulink畫出上述兩個系統(tǒng)的仿真框圖（3）選用PID調節(jié)器，整定主副控制器的參數(shù)，使該串級控制系統(tǒng)性能良好，并繪制相應的單位階躍響應曲線。（4）比較單回路控制系統(tǒng)及串級控制系統(tǒng)在相同的副擾動下的單位階躍響應曲線，并說明原因。用simulink畫出上述兩個系統(tǒng)的仿真框圖如下：Q單回路控制系統(tǒng)方框圖如下T100%F)IdEditViSimulationFormatToolsHpjj-&l

14、t;Ci|廠Kornialode45PID-C11DOo+1>IniOrtl1葉1O1'iaunm-Q2串級控制系統(tǒng)方框圖如下D誡-鳥|畐生腔|4哇i<:S±E込inlOullPIDC1FIClC2od&45|岡'|UnrealFileEdifiVevrimulationFormatT口口bkirlpg11s-Os+lMO什1Bc1圖Q為單回路控制系統(tǒng)的Simulink圖，其中，PIDC1為單回路PID控制器，di為一次擾動，取階躍信號；d2為二次擾動，取階躍信號；Go2為副對象，Go1為主對象；r為系統(tǒng)輸入,取階躍信號，y為系統(tǒng)輸出，它連接到示波

15、器上，可以方便地觀測輸出。經過不斷的試驗，當輸入比例系數(shù)為260，積分系數(shù)為0，微分系數(shù)為140時，系統(tǒng)階躍響應達到比較滿意的效果，系統(tǒng)階躍響應如下圖：5ii102030105070Theollsel:LI自白晶迢治0采用這套PID參數(shù)時，二次擾動作用下，置輸入為0系統(tǒng)框圖如下系統(tǒng)的輸出響應如下圖：105as|2040eoi®140昌sBl加pA迢勻0色戈TmeDlfiEl0采用這套PID參數(shù)時，一次擾動作用下，置輸入為0系統(tǒng)框圖如下系統(tǒng)的輸出響應如下A活苗020151DID占D10tHeonset:o綜合以上各圖可以看出采用單回路控制，系統(tǒng)的階躍響應達到要求時，系統(tǒng)對一次，二次擾動

16、的抑制效果不是很好。圖Q是采用串級控制時的情況，q1為一次擾動，取階躍信號;q2為二次擾動，取階躍信號；PIDC1為主控制器，采用PD控制，PIDC2為副控制器，采用P控制；Go2為副對象，Go1為主對象；r為系統(tǒng)輸入，取階躍信號；y為系統(tǒng)輸出，它連接到示波器上，可以方便地觀測輸出。經過不斷試驗，當PIDC1為主控制器輸入比例系數(shù)為550,積分系數(shù)為0,微分系數(shù)為80時；當PIDC2為主控制器輸入比例系數(shù)為3,積分系數(shù)為0,微分系數(shù)為0時；系統(tǒng)階躍響應達到比較滿意的效果，系統(tǒng)階躍響應如下圖所示：0.508ID1Gie201占TrueoTTset:0采用這套PID參數(shù)時，二次擾動作用下，置輸入為

17、0,系統(tǒng)的框圖如下昌自IO用月盹站畐|日塀W系統(tǒng)的輸出響應如下圖采用這套PID參數(shù)時，一次擾動作用下，置輸入為0，系統(tǒng)的框圖如下系統(tǒng)的輸出響應如下圖綜合以上各圖可以看出，采用串級控制，系統(tǒng)的階躍響應達到要求時，系統(tǒng)對一次擾動二次擾動的抑制也能達到很好的效果。綜合單回路控制和串級控制的情況，系統(tǒng)的控制性能對比如下表所示。系統(tǒng)采用單回路控制和串級控制的對比控制品質指標單回路控制K=260，T=140串級控制K=550，T=80，K=3衰減率0.750.75調節(jié)時間5020殘偏差00二次階躍擾動下的系統(tǒng)短期最大偏差0.00380.0006一次階躍擾動下的系統(tǒng)短期最大偏差0.0130.0055從表中可

18、以看出系統(tǒng)的動態(tài)過程改善更為明顯，可見對二次擾動的最大動態(tài)偏差可以減小約6倍，對一次擾動的最大動態(tài)偏差也可以減小約2.4倍，系統(tǒng)的調節(jié)時間提高了2.5倍。單回路控制系統(tǒng)在副擾動下的單位階躍響應曲線如下103Z5_Q51020304050©700090100ITO時悒M:昌肖BFQ間E出越曰芻集串級控制系統(tǒng)在副擾動作用下的節(jié)約響應曲線如下通過對比兩曲線可以看出，串級控制系統(tǒng)中因為副回路的存在，當副擾動作用時，副控制器會立即動作，削弱干擾的影響，使被副回路抑制過的干擾再進入主回路，對主回路的影響大大降低，相應偏差也大大減小。實驗四比值控制作業(yè)題目：3在例一中如系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G(s)=e-

19、4$,其他參數(shù)不變，試對其進行單閉環(huán)比15s+13值控制系統(tǒng)仿真分析，并討論G(s)二e-4s分母中“15"變化±10%時控制系統(tǒng)的魯棒15s+1性。(1)分析從動量無調節(jié)器的開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性。由控制理論知，開環(huán)穩(wěn)定性分析是系統(tǒng)校正的前提。系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析可利用Bode圖進行，編制MATLABBode圖繪制程序(M-dile)如下:clearallcloseallT=15;K0=3;tao=4;num=K0;den=T,1;G=tf(num,den'inputdelay',tao);margin(G)執(zhí)行該程序得系統(tǒng)的Bode圖如圖所示，可見系統(tǒng)是穩(wěn)定的。幅值

20、裕量為6.77dB，對應增益為2.2。(2)選擇從動量控制器形式及整定其參數(shù)。K根據工程整定的論述，選擇PI形式的控制器，即G(s)=K+7。本處采用穩(wěn)定邊ps界法整定系統(tǒng)。先讓K=0，調整K使系統(tǒng)等幅振蕩(由穩(wěn)定性分析圖知在K=2.2附近時Ipp系統(tǒng)震蕩)，即使系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)Simulink框圖如下所示回NDmJ.>-siiroutToWMfepaceScs-s-edsS100%FileEditViewSimulationF口rmatToolsHelpFransferForTianspcrtZtelayMS遷I牛卓令卜|soo.oFID215S-MFIDCntrplkfTi

21、medfset;0調節(jié)P=0.3,1=0.02時，基本達到了振蕩臨界要求，其系統(tǒng)響應圖如下所示:rScope"|J“回|_|前兀A13（3）系統(tǒng)過程仿真。單閉環(huán)比值控制過程相當于從動量變化的隨動控制過程。假定主動量由一常值10加幅度為0.3的隨機擾動構成，從動量受均值為0、方差為1的隨機干擾。主動量和從動量的比值根據工藝要求及測量儀表假定為3.系統(tǒng)的控制過程Simulink仿真框圖如圖所示。其中控制常量及隨機擾動采用封裝形式。主動控制量的封裝結構如下：運行結果如下所示（圖中曲線從上往下分別為從動量跟蹤結果、主動量給定值和隨機干擾）：可見除初始時間延時外，從動量較好地跟隨主動量變化而變

22、化，并且基本維持比值3有效地克服了主動量和從動量的擾動。（4）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)魯棒性分析要求分母中“15”變化10%，即積分時間為13.516.5，分析系統(tǒng)魯棒性。系統(tǒng)仿真框圖如圖a所示，圖b為延時選擇模塊Subsystem的展開圖，改變積分時間常數(shù)為13.5,14,14.516.5共11個值。經過運行后在工作空間繪圖（使用語句：plot（tout,simout）；holdon；gridon）即可見到圖c的仿真結果。圖a系統(tǒng)仿真框圖圖b延時選擇模塊統(tǒng)封裝結構FT心匚-A：31S352D15IDB100«x|2D02503D0EiIe：gdillieiflIjisertloaLsUt

23、skipMeLp圖c仿真結果分析圖c仿真結果可見，隨著延時環(huán)節(jié)的變化，從動量跟隨主動量的規(guī)律有較小變化但并未改變系統(tǒng)穩(wěn)定性及精度，說明系統(tǒng)在積分時間發(fā)生10%變化時仍能正常工作，系統(tǒng)的魯棒性較強。作業(yè)題目：實驗五解耦控制系統(tǒng)110.57s+13s+150.313s+15s+1參數(shù)不變，試利用對角陣解耦方法實現(xiàn)系統(tǒng)的過程控制。(1)求系統(tǒng)相對增益以及系統(tǒng)耦合分析kk110.5由式Q得系統(tǒng)靜態(tài)放大系數(shù)矩陣為1112kk-50.32122在例題中若輸入輸出之間傳遞關系改為Y1(s)Y(s)2即系統(tǒng)的第一放大系數(shù)矩陣為：p11p21p1211k系統(tǒng)的相對增益矩陣為：0.570.43A=0.430.57

24、22k21X(s)1X(s)2Q，其他k110.512k_-50.3_22由相對增益矩陣可以得知，控制系統(tǒng)輸入、輸出的配對選擇是正確的；通道間存在較強的相互耦合，應對系統(tǒng)進行解耦分析。2)確定解耦調節(jié)器根據解耦數(shù)學公式求解對角矩陣，即G(s)GP11(s)P21GQGP12(s)二P22/、/J/、/、G(s)G(s)-G(s)G(s)P11P22P12P21G(s(s)-G11(s22(s)P11P21-G(s)GQG氣kPX)P11P22128.7S2+52.8S+3.3-13.65S2-3S-0.15216.2S2+82.8S+5.8825S2+440S+55128.7S2+52.8S+

25、3.3采用對角矩陣解耦后，系統(tǒng)的結構如下圖所示：135+1對角即冏韶耦被捽系統(tǒng)輸出比-13.65S2-3S-0.15216.2S1吃2-8S+9812E.TS2+mM.$S+孑丄21d.2S2+82.SS+5.8128于十52.出十3.3216.2S2+82.SS-i-5.80.3577T3771825S-+440S+55216JS82,SS+3,S111九1解耦前后系統(tǒng)的simulink階躍仿真框圖及結果如下1）不存在耦合時的仿真框圖和結果圖a不存在耦合時的仿真框圖（上）和結果（下）2）系統(tǒng)耦合Simulink仿真框圖和結果0151050'50200Timeoffset:0圖b系統(tǒng)耦合Simulink仿真框圖（上）和結果（下）3）對角矩陣解耦后的仿真框圖和結果1210864080100Timeoffset:0卜）Scope-|n|x|嘗自|戸於用|擁胡諳E）醬年圖c對角矩陣解耦后的仿真框圖（上）和結果（下）對比圖a和圖b可知，本系統(tǒng)的耦合影響主要體現(xiàn)在幅值變化和響應速度上，但影響不顯著。其實不進