過程控制實(shí)驗(yàn)報告匯總

1、過程控制課程實(shí)驗(yàn)報告實(shí)驗(yàn)一：串級系統(tǒng)的仿真控制1. 實(shí)驗(yàn)要求：假設(shè)一串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖為：W01(s) (30s 1)(3s 91)W02 ( s) (10s 1)(s 1)21其中： Wc1 (s) 8.4(1 )Wc2 (s) 1012.8s1將傳遞函數(shù)帶入并繪制串級控制系統(tǒng)的 Simulink 結(jié)構(gòu)圖：2. 執(zhí)行程序：清除命令窗口clc;clear all;%清除所有記錄a,b,c,d=linmod('chuanji')%加載 simulink 模型sys=ss(a,b,c,d);%建立狀態(tài)空間表達(dá)式figure(1);%繪制圖形 1step(sys);%獲得階躍響應(yīng)

2、曲線hold on%繪圖保持y,t=step(sys);%y為縱軸， t 為橫軸的階躍曲線mp,tf=max(y);%返回峰值及峰值時間cs=length(t);%獲得穩(wěn)態(tài)時間yss=y(cs);%獲得穩(wěn)態(tài)值sigma=100*(mp-yss)/yss;%計(jì)算超調(diào)量tp=t(tf);%計(jì)算峰值時間%計(jì)算調(diào)節(jié)時間i=cs+1;n=0;while n=0,i=i-1;if i=1n=1;elseif y(i)>1.05*yss%判斷響應(yīng)值是否大于穩(wěn)態(tài)值%的 1.05 倍n=1;endendt1=t(i);cs=length(t);j=cs+1;n=0;while n=0,j=j-1;if j

3、=1n=1;elseif y(i)<0.95*yss%判斷響應(yīng)值是否小于穩(wěn)態(tài)值的 0.95 倍n=1; end endt2=t(j);If t2<tp, if t1>t2, ts=t1; end elseif t2>tp, if t2<t1, ts=t2;else ts=t1;end end sigma=sigma(:,:,1) % 顯示超調(diào)量 tp=tp(:,:,1) % 顯示峰值時間 ts % 顯示調(diào)節(jié)時間3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能指標(biāo)(1).實(shí)驗(yàn)結(jié)果edutilpm0.2200400 0200 Time (sec)400 0 200400sigma =32.344

4、2Step ResponseFrom: In(1)From: In(2)From: In(3)tp =58.4907 ts =90.9393（2）.與單回路系統(tǒng)的對比Simulink 仿真圖性能指標(biāo)x 1025From: In(1)Step ResponseFrom: In(2)From: In(3)sigma =73.4939 tp =69.2071 ts =820.16444. 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：1. （從回路的個數(shù)分析）由于串級控制系統(tǒng)是一個雙回路系統(tǒng)， ，因此能迅 速克服進(jìn)入副回路的干擾，從某個角度講，副回路起到了快速“粗調(diào)”作用，主回 路則擔(dān)當(dāng)進(jìn)一步“細(xì)調(diào)”的功能，所以應(yīng)設(shè)法讓主要擾動的進(jìn)入

5、點(diǎn)位于副回路內(nèi)。2. 能改善被控對象的特性，提高系統(tǒng)克服干擾的能力。由于副回路等效被控對象的 時間常數(shù)比副對象的時間常數(shù)小很多，因而由于副回路的引入而使對象的動態(tài)特性 有了很大的改善，有利于提高系統(tǒng)克服干擾的能力。3. 提高了系統(tǒng)的控制精度。實(shí)驗(yàn)二：專家 PID 仿真控制1. 實(shí)驗(yàn)要求：假設(shè)一專家控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：523500G(s)= 3 2s3 87.35s2 10470 s 90采用專家系統(tǒng) PID 控制，輸入信號為階躍信號，取采樣時間為 1ms，用 MATLAB 仿真模擬此模型的階躍響應(yīng)過程。2. 專家 PID 控制過程分析： 專家控制的實(shí)質(zhì)是基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，并以

6、智能的方式利用 這些知識來設(shè)計(jì)控制器。利用專家經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì) PID 參數(shù)便構(gòu)成了專家 PID 控制。 ( 1)首先通過傳遞函數(shù)離散取樣，采樣時間間隔為 1ms。(2) 然后取 PID初始值： kp=0.6; ki=0.03; kd=0.01;(需要根據(jù)傳遞函數(shù)調(diào)整)(3) 二階系統(tǒng)階躍過程分析如下，取階躍信號 rin (k) 1：令 e(k)表示離散化的當(dāng)前采樣時刻的誤差值， e(k-1)、 e(k-2)、分別表示前一個 和前兩個采樣時刻的誤差值，則有e(k) e(k) e(k 1) e(k 1) e(k 1) e(k 2) 根據(jù)誤差及其變化，可設(shè)計(jì)專家 PID 控制器，該控制器可分為 5 種情

7、況設(shè)計(jì)： ： e(k) M 1時，實(shí)施開環(huán)控制。：當(dāng) e(k) e(k) 0且e(k) M2 時由控制器實(shí)施較強(qiáng)控制作用，其輸出可以為u(k) u(k 1) k1 kp e(k) e(k 1) kie(k) kd e(k) 2e(k 1) e(k 2)當(dāng)e(k) e(k) 0且e(k) M2 時控制器實(shí)施一般的控制作用，其輸出為u(k) u(k 1) kp e(k) e(k 1) ki e(k) kd e(k) 2e(k 1) e(k 2)：當(dāng) e(k) e(k) 0,e(k) e(k 1) 0或e(k) 0時，控制器輸出不變：當(dāng) e(k) e(k) 0,e(k) e(k 1) 0且e(k )

8、 M 2時，實(shí)施較強(qiáng)控制作用，u(k) u(k 1) k1kpem(k)當(dāng)e(k) e(k) 0,e(k) e(k 1) 0且 e(k) M 2時，實(shí)施較小控制作用，u(k) u(k 1) k2k pem(k)：當(dāng) e(k) 時，此時加入積分，減小穩(wěn)態(tài)誤差。式中， em(k) 誤差 e的第k個極值；u(k),u(k 1) -分別為第 k次和第 k-1 次控制器輸出； k1=2增益放大系數(shù)， k1 1； k2 =0.6 增益抑制系數(shù)， 0 k2 1；M1,M 2 0.05設(shè)定的誤差界限， M1 M2， 其中 M 1可取0.8 ，0.4 ，0.2 ， 0.01四值；=0.001 任意小正實(shí)數(shù)。(4

9、) 最后寫出線性模型及當(dāng)前采樣時刻的誤差值： y(k) den(2) y(k 1) den(3) y(k 2) den( 4) y(k 3) num(1) u(k) num(2) u(k 1)num(3) u(k 2) num(4) u(k 3)e(k) rin (k) y(k)(5) 循環(huán)以上 (3) (4)步，循環(huán)次數(shù)為 1000 次。( 6)畫出專家 PID 控制階躍響應(yīng)曲線圖( a)和誤差響應(yīng)曲線( b)。3. 實(shí)驗(yàn)程序：sys=tf(5.235e5,1,87.35,1.047e4,91); % dsys=c2d(sys,ts,'z'); % num,den=tfdat

10、a(dsys,'v'); % u_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0;%y_1=0.0;y_2=0.0;y_3=0.0;%x=0,0,0; %Expert PID Controller clear all;%close all;%ts=0.001; %清除所有記錄關(guān)閉所有采樣時間 ts=0.001建立連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型 連續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為離散系統(tǒng)模型 返回分?jǐn)?shù)形式的傳遞函數(shù) 設(shè)定輸入初始值 設(shè)定輸出初始值 設(shè)置一個三維變量x2_1=0;%X2=0kp=0.1;%設(shè)定比例系數(shù)ki=0.02;%設(shè)定積分系數(shù)kd=0.01;%設(shè)定微分系數(shù)k1=2;k2=0.6;e=0.001;

11、M2=0.05;error_1=0;for k=1:1000;%for循環(huán)執(zhí)行 1000 次time(k)=k*ts;%獲得采樣序列rin(k)=1.0;%輸入階躍信號u(k)=kp*x(1)+kd*x(2)+kd*x(3); %離散系統(tǒng) PID 規(guī)律算法% 以下為專家控制器的規(guī)則if abs(x(1)>0.8 % 如果 u(k)=0.45;elseif abs(x(1)>0.40 u(k)=0.40;elseif abs(x(1)>0.20 u(k)=0.12;elseif abs(x(1)>0.01 u(k)=0.10;endif (x(1)*x(2)>0)|

12、(x(2)=0) % The rule 2 if abs(x(1)>=M2 u(k)=u_1+k1*kp*x(1);elseu(k)=u_1+0.4*kp*x(1);endendif(x(1)*x(2)<0&x(2)*x2_1>0)|(x(1)=0) u(k)=u(k);endif (x(1)*x(2)<0)&(x(2)*x2_1<0)if abs(x(1)>M2 u(k)=u_1+k1*kp*error_1;elseu(k)=u_1+k2*kp*error_1;endendif abs(x(1)<=e % Integration se

13、paration PI control u(k)=0.5*x(1)+0.01*x(3);endif u(k)>=10 % Restricting the output of controlleru(k)=10;endif u(k)<=-10u(k)=-10;end% Linear model yout(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2-den(4)*y_3+num(1)*u(k)+num(2)*u_1+num(3)* u_2+num(4)*u_3;error(k)=rin(k)-yout(k);% return of PID paramtersu_3=u_2;u_

14、2=u_1;u_1=u(k); y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k);x(1)=error(k); % calculating Px2_1=x(2);x(2)=(error(k)-error_1)/ts;% calculating D x(3)=x(3)+error(k)*ts; % calculating I error_1=error(k);endfigure(1);%繪制圖 1plot(time,rin,'b',time,yout,'r'); %輸出藍(lán)色曲線穩(wěn)態(tài)值 紅色為響應(yīng)曲線xlabel('time(s)');%x軸為

15、時間軸ylabel('rin,yout');%y軸為響應(yīng)值figure(2);%繪制圖 2plot(time,rin-yout,'r');%輸出穩(wěn)態(tài)誤差紅色曲線xlabel('time(s)');%x軸為時間軸ylabel('error');%y軸為穩(wěn)態(tài)誤差參數(shù)調(diào)節(jié)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果：Kp=0.8 ki=0 kd=0專家 PID 控制階躍響應(yīng)曲線圖：0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 time(s)5432i,ryon 10-1-2誤差響應(yīng)曲線圖：410ror-40-2-30.1 0.2 0

16、.30.40.5 time(s)0.6 0.70.8 0.93-3Kp=0.3 ki=0 kd=0專家 PID 控制階躍響應(yīng)曲線圖：1.41.210.80.60.40.20.10.20.30.40.50.60.70.80.9time(s)誤差響應(yīng)曲線圖：Kp=0.1 ki=0 kd=0專家 PID 控制階躍響應(yīng)曲線圖：1.41.2t,you 0.80.60.40.20.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 time(s)誤差響應(yīng)曲線圖：1.20.80.20.6 r ro e0.4-0.20.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 t

17、ime(s)Kp=0.1 ki=0.04 kd=0專家 PID 控制階躍響應(yīng)曲線圖：誤差響應(yīng)曲線圖：rro1.210.80.60.40.20-0.20 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1time(s)Kp=0.1 ki=0.04 kd=0.9 誤差響應(yīng)曲線圖：ror-6-8-10-1264time(s)專家 PID 控制階躍響應(yīng)曲線圖：1412100-20 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 time(s)-4Kp=0.1 ki=0.04 kd=0.50 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

18、0.9 1 time(s)0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 time(s)誤差響應(yīng)曲線圖：1.210.80.6rroe 0.60.40.20-0.2專家 PID 控制階躍響應(yīng)曲線圖：1.41.21t 0.80.60.40.20Kp=0.1 ki=0.02 kd=0.01 誤差響應(yīng)曲線圖：1.2ror864000-0.20 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 time(s)專家 PID 控制階躍響應(yīng)曲線圖：time(s)t uo4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：比例系數(shù) ：作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度， 提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。 當(dāng)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了 偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少誤差。 越大， 系統(tǒng)響應(yīng)越快， 但將產(chǎn)生超 調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此 的值不能取得過大；但如果 取值過小，過小 會降低調(diào)節(jié)精度，是系統(tǒng)響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，