過程控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、.過程控制實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告班級(jí)：自動(dòng)化1202姓名：楊益?zhèn)W(xué)號(hào)：1209003212015年10月信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(yīng)模型，并求單位階躍響應(yīng)曲線。答：常見的工業(yè)過程動(dòng)態(tài)特性的類型有：無自平衡能力的單容對(duì)象特性、有自平衡能力的單容對(duì)象特性、有相互影響的多容對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性、無相互影響的多容對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性等。通常的模型有一階慣性模型，二階模型等。單容過程模型1、 無自衡單容過程的階躍響應(yīng)實(shí)例已知兩個(gè)無自衡單容過程的模型分別為和，試在Simulink中建立模型，并求單位階躍響應(yīng)曲線。Si

2、mulink中建立模型如圖所示： 得到的單位階躍響應(yīng)曲線如圖所示： 2、 自衡單容過程的階躍響應(yīng)實(shí)例已知兩個(gè)自衡單容過程的模型分別為和，試在Simulink中建立模型，并求單位階躍響應(yīng)曲線。Simulink中建立模型如圖所示： 得到的單位階躍響應(yīng)曲線如圖所示： 多容過程模型3、 有相互影響的多容過程的階躍響應(yīng)實(shí)例已知有相互影響的多容過程的模型為，當(dāng)參數(shù), 時(shí)，試在Simulink中建立模型，并求單位階躍響應(yīng)曲線在Simulink中建立模型如圖所示： 得到的單位階躍響應(yīng)曲線如圖所示： 4、 無相互影響的多容過程的階躍響應(yīng)實(shí)例已知兩個(gè)無相互影響的多容過程的模型為（多容有自衡能力的對(duì)象）和（多容無自

3、衡能力的對(duì)象），試在Simulink中建立模型，并求單位階躍響應(yīng)曲線。在Simulink中建立模型如圖所示： 得到的單位階躍響應(yīng)曲線如圖所示： 作業(yè)題目二：某二階系統(tǒng)的模型為，二階系統(tǒng)的性能主要取決于，兩個(gè)參數(shù)。試?yán)肧imulink仿真兩個(gè)參數(shù)的變化對(duì)二階系統(tǒng)輸出響應(yīng)的影響，加深對(duì)二階系統(tǒng)的理解，分別進(jìn)行下列仿真：（1） 不變時(shí)，分別為0.1, 0.8, 1.0, 2.0時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線； 從上至下分別為0.1,0.8，1.0,2.0 （2） 不變時(shí)，分別為2, 5, 8, 10時(shí)的單位階躍響應(yīng)曲線。 從下到上wn分別為2,5,8,10 實(shí)驗(yàn)二 PID控制作業(yè)題目：建立如下所示Simul

4、ink仿真系統(tǒng)圖。利用Simulink仿真軟件進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：1. 建立如圖所示的實(shí)驗(yàn)Simulink原理圖。2. 雙擊原理圖中的PID模塊，出現(xiàn)參數(shù)設(shè)定對(duì)話框，將PID控制器的積分增益和微分增益改為0，使其具有比例調(diào)節(jié)功能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行純比例控制。3. 進(jìn)行仿真，觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)性能；然后調(diào)整比例增益，觀察響應(yīng)曲線的變化，分析系統(tǒng)性能的變化。由以上三組響應(yīng)曲線可以看出，純比例控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響為：比例調(diào)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(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)真激烈震蕩甚至不穩(wěn)定，比例帶很大時(shí)，被調(diào)量可以沒有超調(diào)，但余差很大，調(diào)節(jié)時(shí)間也很長，減小比例帶

5、就引起被調(diào)量的來回波動(dòng)，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，余差相應(yīng)減少。4. 重復(fù)（步驟2,3），將控制器的功能改為比例微分控制，觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例微分的作用。由以上四組響應(yīng)曲線可以看出，比例微分控制對(duì)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(dāng)?shù)奈⒎謩?dòng)作可以減小余差，并且減小了短期最大偏大，提高了振蕩頻率5. 重復(fù)（步驟2,3），將控制器的功能改為比例積分控制，觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例積分的作用。由以上響應(yīng)曲線可以看出，比例積分控制對(duì)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(diào)節(jié)在比例帶不變的情況下，減小積分時(shí)間TI（增大積分增益I），將使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、振蕩加劇、調(diào)節(jié)

6、過程加快、振蕩頻率升高6. 重復(fù)（步驟2,3），將控制器的功能改為比例積分微分控制，觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例積分微分的作用。 由以上幾組響應(yīng)曲線可以看出，比例積分微分控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響為：提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制動(dòng)態(tài)偏差，減小余差，提高響應(yīng)速度，當(dāng)微分時(shí)間較小時(shí)，提高微分時(shí)間可以減小余差，提高響應(yīng)速度并減小振蕩，當(dāng)微分時(shí)間較大時(shí)，提高微分時(shí)間，振蕩會(huì)加劇。7. 將PID控制器的積分微分增益改為0，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行純比例控制。不斷修改比例增益，使系統(tǒng)輸出的過度過程曲線的衰減比n=4，記下此時(shí)的比例增益值。經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=1時(shí)，終值r=0.5，第一個(gè)波峰值y1=0.72，第二個(gè)波峰值y2=0.55

7、，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，記下此時(shí)的比例增益值。經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=12時(shí)，終值r=0.93，第一個(gè)波峰值y1=1.6，第二個(gè)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(shí)的比例增益。 P=100 p=1000 由圖可知，Kp值越大，系統(tǒng)的衰減比越小。故要使系統(tǒng)呈現(xiàn)臨界波形，可使Kp趨于無窮大10. 將PID控制器的比例、積分增益進(jìn)行修改，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)比例和積分增益。將PID控制器的比

8、例、積分、微分增益進(jìn)行修改，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)比例、積分、微分增益。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行比例積分控制： n=2 經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=2，I=0.6時(shí)終值r=1，第一個(gè)波峰值y1=1.30，第二個(gè)波峰值y2=1.16，衰減比約為2，如下圖所示 n=4 經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=2.9，I=0.42時(shí)終值r=0.99，第一個(gè)波峰值y1=1.06，第二個(gè)波峰值y2=1.28，衰減比約為4n=10經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=1.23，I=0.02時(shí)終值r=0.62，第一個(gè)波峰值y1=0.82，第二個(gè)波峰值y2=0.64，衰減比約為1

9、0對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行比例積分微分控制n=2 經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=6，I=1，D=0.05時(shí)終值r=1，第一個(gè)波峰值y1=1.5，第二個(gè)波峰值y2=1.25，衰減比約為2n=4 經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=6，I=0.5，D=0.5時(shí)終值r=0.97，第一個(gè)波峰值y1=1.36，第二個(gè)波峰值y2=1.06，衰減比約為4，如下圖所示n=10經(jīng)過調(diào)整，當(dāng)比例P=11，I=0.05，D=2時(shí)終值r=0.92，第一個(gè)波峰值y1=1.3，第二個(gè)波峰值y2=0.96，衰減比約為10，如下圖所示實(shí)驗(yàn)三 串級(jí)控制作業(yè)題目：串級(jí)控制系統(tǒng)仿真。已知某串級(jí)控制系統(tǒng)的主副對(duì)象的傳遞函數(shù)Go1，Go2分別為：，副回路干擾通道的傳遞函數(shù)為

10、：。（1） 畫出串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖及相同控制對(duì)象下的單回路控制系統(tǒng)方框圖。（2） 用Simulink畫出上述兩個(gè)系統(tǒng)的仿真框圖串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖如下所示： 單回路控制系統(tǒng)方框圖如下所示： （3） 選用PID調(diào)節(jié)器，整定主副控制器的參數(shù)，使該串級(jí)控制系統(tǒng)性能良好，并繪制相應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線。經(jīng)過不斷試驗(yàn)，當(dāng)PIDC1為主控制器輸入比例系數(shù)為360，積分系數(shù)為30，微分系數(shù)為60時(shí)；當(dāng)PIDC2為副控制器輸入比例系數(shù)為5，積分系數(shù)為0，微分系數(shù)為0時(shí)；系統(tǒng)階躍響應(yīng)達(dá)到比較滿意的效果，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如下圖所示： 采用這套PID參數(shù)時(shí)二次擾動(dòng)作用下的階躍響應(yīng)： 一次擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)： （4） 比較

11、單回路控制系統(tǒng)及串級(jí)控制系統(tǒng)在相同的副擾動(dòng)下的單位階躍響應(yīng)曲線，并說明原因。單回路控制系統(tǒng)在相同的副擾動(dòng)下的單位階躍響應(yīng)曲線：二次擾動(dòng)作用下的階躍響應(yīng)： 一次擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)： 串級(jí)控制系統(tǒng)在相同的副擾動(dòng)下的單位階躍響應(yīng)曲線：二次擾動(dòng)作用下的階躍響應(yīng)： 一次擾動(dòng)下的階躍響應(yīng)： 比較上圖故可知串級(jí)系統(tǒng)由于副回路的存在對(duì)擾動(dòng)的抑制能力更強(qiáng)。因擾動(dòng)經(jīng)干擾通道進(jìn)入回路后首先影響副回路的輸出，副回路反饋后引起副控制器立即動(dòng)作，力圖消弱干擾影響，使得干擾經(jīng)過副回路的抑制后再進(jìn)入主回路，對(duì)主回路的輸出影響大為減弱；.實(shí)驗(yàn)四 比值控制作業(yè)題目：在例一中如系統(tǒng)傳遞函數(shù)為，其他參數(shù)不變，試對(duì)其進(jìn)行單閉環(huán)比值控制系

12、統(tǒng)仿真分析，并討論分母中“15”變化時(shí)控制系統(tǒng)的魯棒性。（1）分析從動(dòng)量無調(diào)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(jìn)行，編制MATLABBode圖繪制程序（M-dile）如下：clear allclose allT=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。幅值裕量為6.77dB，對(duì)應(yīng)增益為2.2 (2)選擇從動(dòng)量控制器形式及整定其參數(shù)。根據(jù)工程整定的論述，選擇PI形式的控制器，即。本

13、處采用穩(wěn)定邊界法整定系統(tǒng)。先讓=0，調(diào)整使系統(tǒng)等幅振蕩（由穩(wěn)定性分析圖知在=2.2附近時(shí)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 調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)圖如下所示，基本達(dá)到了振蕩臨界要求 （3）系統(tǒng)過程仿真。單閉環(huán)比值控制過程相當(dāng)于從動(dòng)量變化的隨動(dòng)控制過程。假定主動(dòng)量由一常值10加幅度為0.3的隨機(jī)擾動(dòng)構(gòu)成，從動(dòng)量受均值為0、方差為1的隨機(jī)干擾。主動(dòng)量和從動(dòng)量的比值根據(jù)工藝要求及測(cè)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(jī)擾動(dòng)采用封裝形式。 主動(dòng)控制量的封裝結(jié)構(gòu)如下： 運(yùn)行結(jié)果如下所示（圖中曲線從上往下分別為從動(dòng)量跟蹤結(jié)果、主動(dòng)量

14、給定值和隨機(jī)干擾）： 可見除初始時(shí)間延時(shí)外，從動(dòng)量較好地跟隨主動(dòng)量變化而變化，并且基本維持比值3，有效地克服了主動(dòng)量和從動(dòng)量的擾動(dòng)。 （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(shí)間為13.516.5，分析系統(tǒng)魯棒性。系統(tǒng)仿真框圖如下圖所示延時(shí)選擇模塊Subsystem的展開圖如下所示改變積分時(shí)間常數(shù)為13.5，13.816.5共11個(gè)值。經(jīng)過運(yùn)行后在工作空間繪圖（使用語句：plot（tout，simout）；holdon；gridon）即可見到下圖的仿真結(jié)果。 仿真結(jié)果可見，隨著延時(shí)環(huán)節(jié)的變化，從動(dòng)量跟隨主動(dòng)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

15、積分時(shí)間發(fā)生10%變化時(shí)仍能正常工作，系統(tǒng)的魯棒性較強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)五 解耦控制系統(tǒng)作業(yè)題目：在例題中若輸入輸出之間傳遞關(guān)系改為，其他參數(shù)不變，試?yán)脤?duì)角陣解耦方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過程控制。(1) 求系統(tǒng)相對(duì)增益以及系統(tǒng)耦合分析 由題得系統(tǒng)靜態(tài)放大系數(shù)矩陣為= 即系統(tǒng)的第一放大系數(shù)矩陣為：系統(tǒng)的相對(duì)增益矩陣為：由相對(duì)增益矩陣可以得知，控制系統(tǒng)輸入、輸出的配對(duì)選擇是正確的；通道間存在較強(qiáng)的相互耦合，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦分析。系統(tǒng)的輸入、輸出結(jié)構(gòu)如下圖所示 （2）確定解耦調(diào)節(jié)器根據(jù)解耦數(shù)學(xué)公式求解對(duì)角矩陣，即采用對(duì)角矩陣解耦后，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示： 解耦前后系統(tǒng)的simulink階躍仿真框圖及結(jié)果如下：1.不存在

16、耦合時(shí)的仿真框圖和結(jié)果 圖a 2.系統(tǒng)耦合Simulink仿真框圖和結(jié)果 圖b3. 對(duì)角矩陣解耦后的仿真框圖和結(jié)果 圖c對(duì)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(yīng)速度上，但影響不顯著。其實(shí)不進(jìn)行解耦通過閉環(huán)控制仍有可能獲得要求品質(zhì)。對(duì)比圖a和圖c可知，采用對(duì)角解耦器后系統(tǒng)的響應(yīng)和不存在耦合結(jié)果一樣，采用對(duì)角實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)解耦。解耦后系統(tǒng)可按兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行分析和控制。(3).控制器形式選擇與參數(shù)整定通過解耦，原系統(tǒng)已可看成兩個(gè)獨(dú)立的單輸入輸出系統(tǒng)?？紤]到PID應(yīng)用的廣泛性和系統(tǒng)無靜差要求，控制器形式采用PI形式。PI參數(shù)整定通過解耦的兩個(gè)單輸入輸出系統(tǒng)進(jìn)行，整定采取試誤法進(jìn)行。當(dāng)x1y1通道Kp=20，Ki=3時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖：L= 當(dāng)x2y2通道Kp=35，Ki=5時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖： (4）系統(tǒng)仿真采用對(duì)角矩陣解耦時(shí)，控制系統(tǒng)如下圖所示： 為了比較解耦和不解耦兩種情況，分別列出兩