單回路PID控制課堂討論題

1、“單回路PID控制”仿真練習(xí)2017-3-17仿真目的：結(jié)合仿真實驗與課堂討論，使同學(xué)們了解常用過程工業(yè)對象的動態(tài)特性，并掌握單回路控制系統(tǒng)中的PID參數(shù)整定方法。一、仿真任務(wù)針對后續(xù)的3種被控對象，在控制器為“手動”模式（即控制器輸出由人工設(shè)定）下，考察各個對象的動態(tài)特性；考察不同的控制器參數(shù)對控制系統(tǒng)性能（包括設(shè)定值跟蹤特性與抗干擾能力）的影響，從而總結(jié)PID參數(shù)的整定原則；此外，針對實際被控過程，在PID參數(shù)固定的前提下，考察對象特性參數(shù)變化對控制系統(tǒng)性能的影響。仿真報告主要內(nèi)容包括：1 .針對具體的被控對象，基于物料平衡與動力學(xué)方程建立相應(yīng)的機(jī)理模型，畫出控制系統(tǒng)完整的方框圖，并注明方

2、框圖各個環(huán)節(jié)的輸入輸出信號。2 .在SimuLink環(huán)境中對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，具體工作包括：（1）建立被控對象的Simulink仿真模型，并對其操作變量與干擾變量進(jìn)行響應(yīng)測試，以獲取被控對象的開環(huán)輸入輸出階躍響應(yīng)（包括控制通道與各干擾通道的響應(yīng)曲線）；（2）選擇合適的PID控制規(guī)律，并與上述對象仿真模型一起，構(gòu)成完整的單回路控制仿真系統(tǒng)（為清晰起見，建議將對象仿真模型封裝成一個子系統(tǒng)），整定其PID控制參數(shù)以獲取理想的閉環(huán)響應(yīng)；（3）完成設(shè)定值跟蹤與抗干擾響應(yīng)試驗，同時將SimuLink仿真曲線保存至Matlab數(shù)據(jù)平臺，再用“Plot”相關(guān)命令畫出全部響應(yīng)曲線（至少包含被控變量的測量值、

3、設(shè)定值、控制器輸出）。（4）人為改變被控過程特性參數(shù)，考察對象特性參數(shù)變化對控制系統(tǒng)性能的影響。仿真研究要求為使仿真研究結(jié)果具有可比性，要求：（1）響應(yīng)試驗前控制系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，即各個物理量均為工作點處的取值。（2）為了模擬實際的控制閥，要求采用限幅輸出環(huán)節(jié)“E3”來對閥門的流通能力進(jìn)行限制，其中高低值分別限為100和0。（3）為了讓實驗結(jié)果具有可比性，設(shè)定值與其它干擾輸入的變化分別為靜態(tài)值的20%。三、仿真報告格式要求1、仿真報告采用PDF,正文為小四號宋體，標(biāo)題可適當(dāng)加大字號或用粗體。紙張采用A4。2、所有報告均在首頁標(biāo)明姓名、學(xué)號、班級，文件以“學(xué)號.pdf”的格式保存。3、報告中所有圖

4、表均需指明標(biāo)題，其中表格的標(biāo)題在表的上方，圖的標(biāo)題在圖的下方。所有表格與圖的標(biāo)題均為五號宋體。圖中所有曲線采用黑體，并指明坐標(biāo)的意義、單位以及大小。對于有多條曲線的，對每條曲線均要表明其含義，并且需通過選用不同的線型或線寬加以區(qū)分。5仿真對象1某一液位控制系統(tǒng)如圖1所示，其中操作變量為出口流量Qo,而主要干擾為輸入流量Qi。另外，假設(shè)儲罐上下均勻，截面積為A。對象動態(tài)特性方程可近似描述為:Adh(t)=Qi(t)-Qo(t),Qo6=K2U(t)Jh+n,y=100父¥dthmax其中，h(t)為液位高度，hmax為可測量液位最大值；K2為控制閥流量系數(shù)，h0為貯罐底部與控制閥之間的

5、水平距離，h為貯罐內(nèi)液位高度。假設(shè)A=1m2;K2=0.01;u=0100%;Qi的變化范圍為01.5m3/min;h=06m,hmax=6m；液位變送器的最大輸出范圍y為0100%。系統(tǒng)設(shè)計值(即為初始值)為：Qo=Qi=0.8m3/min,u=40%,y=50%,h0=1m,h=3m注意：該系統(tǒng)的控制目標(biāo)，除希望液位控制平穩(wěn)不超出正常工作范圍(4060%)外，還要求輸出流量盡可能變化緩慢平穩(wěn)。仿真對象2某一液位控制系統(tǒng)如圖2所示，其中主要干擾為計量泵輸出流量Qo(假設(shè)計量泵輸出流量不受液位高度影響)。另外，假設(shè)儲罐上下均勻，截面積為A。液相物料的進(jìn)口體積流量為Qi。圖2非自衡液位控制系統(tǒng)對

6、象動態(tài)特性方程可近似描述為：Qi(t)=KiU(t),y(t)=100M汕hmax其中，h(t)為液位高度，hmax為可測量液位最大值；Ki為控制閥流量系數(shù)彳貿(mào)設(shè)A=3m2;Ki=0.015;u=0100%;Qo的變化范圍為01m3/min;h=06m,hmax=6m；液位變送器的最大輸出范圍y為0100%。系統(tǒng)設(shè)計值為：Qo=Qi=0.6m3/min,u=40%,h=3m仿真對象3某一液位控制系統(tǒng)如圖3所示，被控變量為下水箱液位高度；操作變量為入口流量Qo,而主要干擾為輸入流量Qd。各水箱底部流出流量與水箱液位高度的關(guān)系為：Qk(t)=Kvk7h而k=1,2,3,其中流量系數(shù)與手閥大小、開度有關(guān)。圖3液位控制系統(tǒng)假設(shè)控制閥為線性閥，其入口流量與控制信號的關(guān)系為Qi(t)=O.0lCvU(t),其中Cv為控制閥流通能力，控制信號范圍為u=0100%;。假設(shè)各液位采用差壓變送器進(jìn)行檢測，其測量信號與水位高度的函數(shù)關(guān)系為ym(t)=100M她,hmax其事，h(t)為液位高度，液位變送器的最大輸出范圍y為0100%。這里，假設(shè)可測量液位最大值為hmax=0.50m,控制閥流通能力為Cv=0.05m3/min。該實驗裝置參數(shù)假設(shè)如下：(1)各水箱截面積均勻，分別為A1=0.02m2,A=0.02m2,A=0.03m2;(2)水箱底部手閥的流量系數(shù)分別為K