《过程控制系统仿真实验指导.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制系统仿真实验指导.doc（21页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、过程控制系统Matlab/Simulink仿真实验指导书 巢湖学院电子工程与电气自动化学院实验一 过程控制系统建模3实验二 PID控制4实验三 串级控制系统8实验四 单闭环比值控制系统15实验五 双闭环比值控制系统19实验一 过程控制系统建模指导内容 某二阶系统的模型为，二阶系统的性能主要取决于，两个参数。试利用Simulink仿真两个参数的变化对二阶系统输出响应的影响，加深对二阶系统的理解。仿真实例 以，为0.1时的单位阶跃响应仿真为例来说明过程控制系统的建模与仿真。仿真模型如下图所示。仿真结果如下图所示。仿真实验 参考仿真实例，分别进行如下的Matlab仿真，二阶系统模型同上。（1）不变时
2、，分别为0.1, 0.8, 1.0, 2.0时的单位阶跃响应曲线；（2）不变时，分别为2, 5, 8, 10时的单位阶跃响应曲线。 分别记录， 时的仿真结果和时， 时的仿真结果。实验报告要求实验报告应包含以下内容：实验目的、实验原理、实验设备、实验内容、实验结果、实验结果分析。实验二 PID控制指导内容：PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，它根据被控过程的特征确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：（1） 理论计算整定法主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工
3、程实际进行调整和修改。（2） 工程整定方法主要有Ziegler-Nichols整定法、临界比例度法、衰减曲线法。这三种方法各有特点，其共同点都是通过实验，然后按照工程实验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。工程整定法的基本特点是：不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定；方法简单，计算简便，易于掌握。a Ziegler-Nichols整定法Ziegler-Nichols整定法是一种基于频域设计PID控制器的方法。基于频域的参数整定是需要考虑模型的，首先需要辨识出一个能较好反映被控对象频域特性的二阶模型。根
4、据这样的模型，结合给定的性能指标可推导出公式，而后用于PID参数的整定。基于频域的设计方法在一定程度上回避了精确的系统建模，而且有较为明确的物理意义，比常规的PID控制可适应的场合更多。目前已经有一些基于频域设计PID控制器的方法，如Ziegler-Nichols法、Cohen-Coon法等。Ziegler-Nichols法是最常用的整定PID参数的方法。Ziegler-Nichols整定法有两种：阶跃响应整定法（开环整定）和频域响应整定法（闭环整定）。这里重点介绍阶跃响应整定法。如果系统开环单位阶跃响应曲线看起来是一条S形的曲线，则可用此法，否则不能用。S形曲线用延时时间L和时间常数T来描述
5、，则对象的传递函数可以近似为： （1）具体步骤如下：1） 验证开环单位阶跃响应曲线是否近似S形曲线，满足即可用此法，否则不能用。2） 计算延时时间L、放大系数K和时间常数T，计算公式如下： （2） （3） （4）式中YS为稳态值，和分别为达到稳态值63.2%和28.4%时对应的时间。3） 利用延时时间L、放大系数K和时间常数T，根据表一中的公式即可计算出比例系数，积分时间和微分时间。表一 Ziegler-Nichols整定法控制器类型比例度积分时间微分时间PT/(KL)0PI0.9T/(KL)3L0PID1.2T/(KL)2LL/2 b 临界比例度法临界比例度法适用于已知对象传递函数的场合，在
6、闭环的控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例度称为临界比例度，两个相邻波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期。采用临界比例度法时，系统产生临界振荡的条件是系统的阶数是3阶或3阶以上。临界比例度法的步骤如下：（1）将调节器的积分时间置于最大（），微分时间置零，比例度适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行；（2）将比例度逐渐减小，得到等幅振荡过程，记下临界比例度和临界震荡周期的值；（3）根据和值，采用表二的经验公式，计算出调节器的各个参数，即、和的值。表二 临界比例度法整定控制器参数控制器类型比例度积分时间微分时间P0PI0PID按
7、“先P后I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算数值上。若还不够满意，可再作一步调整。临界比例度法注意事项：（1）有的过程控制系统，临界比例度很小，调节阀不是全关就是全开，对工业生产不利；（2）有的过程控制系统，当调节器比例度调到最小刻度值时，系统仍然不产生等幅振荡，对此，将最小刻度的比例度作为临界比例度进行调节器参数整定。c 衰减曲线法衰减曲线法根据衰减频率特性整定控制器参数。先把控制系统中调节器参数置成纯比例作用（），使系统投入运行，再把比例度从大到小逐渐调小，直到出现4:1衰减过程曲线。此时比例度为4:1，衰减比例度为，上升时间为，两个相邻波峰间的时间间隔为，称为4:1衰减振荡周期。
8、根据，使用表三的经验公式可以计算出调节器的各个整定参数值。表三 衰减曲线法整定控制器参数控制器类型比例度积分时间微分时间P0PI或0PID或或按“先P后I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算数值上。若还不够满意，可再作一步调整。衰减曲线法的注意事项：（1）对于反应较快的系统，要认定4:1衰减曲线和读出比较困难，此时，可以认为记录指针来回摆动两次就达到稳定是4:1衰减过程。（2）在生产过程中，负荷变化会影响过程特性。当负荷变化较大时，必须重新整定调节器参数。（3）若认为4:1衰减太慢，可采用10:1衰减过程。对于10:1衰减曲线整定调节器参数的步骤与上述完全相同，仅仅是计算公式不同。仿真实
9、验：建立如下所示Simulink仿真系统图。1. 建立如图所示的实验Simulink原理图。2. 用Ziegler-Nichols整定法设计该PID控制器，记录PID参数和仿真结果。3. 用临界比例度法设计该PID控制器，记录PID参数和仿真结果。4. 用衰减曲线法设计该PID控制器，记录PID参数和仿真结果。5. 比较三种控制系统的仿真效果，结合三种PID整定法的优缺点分析产生的原因。实验报告要求同上。实验三 串级控制指导内容仿真实例一 串级与单回路控制对比仿真实验某隧道窑炉系统，考虑烧成带温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统，其主副对象的传递函数Go1，Go2分别为：， 主副控制
10、器的传递函数Gc1，Gc2分别为：，。试分别采用单回路控制和串级控制设计主副PID控制器的参数，并给出整定后系统的阶跃响应的特性响应曲线和阶跃扰动的响应曲线，并说明不同控制方案对系统的影响。解：串级控制设计是一个反复调整测试的过程，使用Simulink能大大简化这一过程。根据题意，首先建立如图的Simulink模型。图中采用单回路控制的Simulink图，其中，q1为一次扰动，取阶跃信号；q2为二次扰动，取阶跃信号；Go2为副对象；Go1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号；c为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。图中的PID C1为单回路PID控制器，它是按照PID原理建立的Sim
11、ulink中的子模块，其内部结构如下图所示： PID控制器模块子系统的参数设置如下图：经过不断的试验，当输入比例系数为3.7，积分系数为38，微分系数为0时，系统阶跃响应达到比较满意的效果，系统阶跃响应如下图：采用这套PID参数时，二次扰动作用下，系统的输出响应如下图：采用这套PID参数时，一次扰动作用下，系统输出响应如下图：综合以上各图可以看出采用单回路控制，系统的阶跃响应达到要求时，系统对一次，二次扰动的抑制效果不是很好。下面考虑采用串级控制时的情况，下图为串级控制时的Simulink模型图：图中，q1为一次扰动，取阶跃信号；q2为二次扰动，取阶跃信号；PID C1为主控制器，采用PID控
12、制，PID C2为副控制器，采用PID控制；Go2为副对象；Go1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号；c为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。经过不断试验，当PID C1为主控制器输入比例系数为8.4，积分系数为12.8，微分系数为0时；当PID C2为主控制器输入比例系数为10，积分系数为0，微分系数为0时；系统阶跃响应达到比较满意的效果，系统阶跃响应如下图所示：采用这套PID参数时，二次扰动作用下，系统的输出响应如下图：采用这套PID参数时，一次扰动作用下，系统的输出响应如下图：综合以上各图可以看出，采用串级控制，系统的阶跃响应达到要求时，系统对一次扰动，二次扰动的抑制也能达到
13、很好的效果。综合单回路控制和串级控制的情况，系统的控制性能对比如下表所示。表一 系统采用单回路控制和串级控制的对比控制品质指标单回路控制Kc1=3.7，Tc1=38串级控制Kc1=8.4，Tc1=12.8，Kc2=10衰减率0.750.75调节时间18060残偏差00二次阶跃扰动下的系统短期最大偏差0.270.013一次阶跃扰动下的系统短期最大偏差0.340.13从表中可以看出系统的动态过程改善更为明显，可见对二次扰动的最大动态偏差可以减小约20倍，对一次扰动的最大动态偏差也可以减小约2.6倍，系统的调节时间提高了3倍。PID参数的整定仿真实例二 串级控制的参数整定仿真某隧道窑炉系统，考虑烧成
14、带温度为主变量，燃烧室温度为副变量所构成的串级控制系统中，其主副对象的传递函数Go1，Go2分别为： ，试采用逐次逼近法整定PID控制器的参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线。解：按照逐次逼近法的步骤1先主回路开环，按单回路方法整定副控制器，建立的Simulink框图如下图：不断地实验，当Kc2=10时，副回路阶跃响应如下图：从图中可以大致地看出，此衰减比约为4:1，因此此时可进入步骤2，即主回路闭环，取Kc2=10整定主控制器，此时的Simulink框图如下：不断地实验，调节主调节器，当Kc1=12，主回路的阶跃响应如下图所示：由图可知此时的Ts1=16，按步骤3，将主回路闭环的条件下，重新
15、整定副控制器参数，根据衰减曲线法，取Kc1=10，Ki=8，此时系统主回路阶跃响应曲线如下图所示：由图可知系统的阶跃响应效果不理想，超调太大，需要进行精调。按照步骤4反复实验当Kc1=8.4，Ki =12.8，Kc2=10时，系统阶跃响应如下图所示：由图可知系统的阶跃响应效果比较理想，此时整定的主副回路的参数比较合理。当然，还可以调整不同的参数组合，以取得满意的输出响应曲线。这是一个反复的实验过程，利用Simulink这一便捷的工具具有很大的优势。仿真实验串级控制系统仿真。已知某串级控制系统的主副对象的传递函数Go1，Go2分别为：，副回路干扰通道的传递函数为：。（1） 用Simulink搭建
16、单回路控制系统及串级控制系统的仿真框图。（2） 选用PID调节器，整定两个控制系统的PID参数，仿真并记录相应系统的单位阶跃响应曲线。（3） 比较单回路控制系统及串级控制系统在相同的副扰动下的单位阶跃响应曲线，并说明原因。实验报告要求同上。实验四 单闭环比例控制系统仿真指导内容一、单闭环控制系统原理图单闭环控制系统原理图如下：Q1与Q2分别为主副物料的流量，Q1经流量检测和变送器变送作为比值器的给定值，比较器将给定值进行比例运算再作为Q2闭环控制系统的Q2流量给定值，通过比较器实现了Q1与Q2流量比值的恒定。二、单闭环控制系统优缺点单闭环比值控制系统虽然能保持主、副物料流量比值不变，但是无法控
17、制主物料的流量不变，因此，对生产过程的生产能力没有进行控制。该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。三、单闭环控制系统的仿真。单闭环比值控制过程相当于从动量变化的随动控制过程。假定主动量由一常值10加幅度为0.3的随机扰动构成，从动量受均值为0、方差为1的随机干扰。主动量和从动量的比值根据工艺要求及测量仪表假定为3. 系统的控制过程Simulink仿真框图如图所示。其中控制常量及随机扰动采用封装形式。主动控制量的封装结构如下：建立模型及simout设置运行后，在命令窗口输入 plot(tout,simout,tout,simout1,t
18、out,simout2)，再用输出图形中的菜单Insert-text增加图释。运行结果如下所示（图中曲线从上往下分别为从动量跟踪结果、主动量给定值和随机干扰）：可见除初始时间延时外，从动量较好地跟随主动量变化而变化，并且基本维持比值3，有效地克服了主动量和从动量的扰动。单闭环比值控制系统鲁棒性仿真。由控制理论知，在例一中延时是影响系统稳定性的关键环节。假设延时时间常数变化，即延时时间为4.55.5，分析系统鲁棒性。系统仿真框图如图a所示，图b为延时选择模块Subsystem的展开图，图c为延时常数设定方法，改变数为4.5,4.6,4.7，4.85.5共11个值。经过运行后在工作空间绘图（使用语
19、句：plot（tout，simout）；hold on；grid on）即可见到图d的仿真结果。 分析图d仿真结果并与例一的图进行比较可见，随着延时环节的变化，从动量跟随主动量的规律有较小变化，但并未改变系统稳定性及精度，说明系统在延时发生变化时仍能正常工作，系统的鲁棒性较强。图a 系统仿真框图图b 延时选择模块统封装结构图c 延时参数的设置图d 仿真结果仿真实验 在例一中如系统传递函数为，其他参数不变，试对其进行单闭环比值控制系统仿真分析，并讨论分母中“15”变化时控制系统的鲁棒性。实验报告要求同上。实验五 双闭环比例控制系统仿真指导内容一、双闭环控制系统原理图双闭环控制系统原理图如下：双闭
20、环比值控制系统如下图所示，Q1流量闭环为主动量回路，Q2流量闭环为从动量回路。Q1流量的实时流量经过比值器作为Q2流量的给定值，保证了Q1流量与Q2流量的恒定比；Q1流量闭环为定值单闭环控制系统，实现了Q1流量的稳定、精确控制；Q2流量闭环能不仅实现了Q1流量与Q2流量的恒定比，同时稳态时Q2流量也能达到稳定值。二. 双闭环比值控制系统优点 双闭环比值控制系统的特点是在保持比值控制的前提下，主动量和从动量两个流量均构成闭环回路，这样克服了自身流量的干扰，使主、从流量都比较平稳，并使得工艺总负荷比较稳定。仿真实验 双闭环控制系统仿真 某主动量和从动量控制系统的数学模型分别为： 假定主动量给定值为5，主动量和从动量的比值为4，主动控制和从动控制系统均受随机干扰（主、从控制回路均选择PI控制方式）。实验报告要求同上。
