实验一 温度变送器的调校.docx

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1、点击MATLAB软件，进入Simulink工作环境。在Simulink Library Browser（Simulink图书 浏览器）中，调 出示波 器模块 （Scope）、传递函数模块（Transfer Fcn）、阶跃信号（step）。构成一个比例环节的对象模型，接入示波器及阶跃输入，并设置模型参数，实验一典型环节动态特性一、实验目的：利用MATLAB命令得阶跃响应曲线，熟悉各种典型环节的响应曲线，分析环节动态特性。二、基本内容：利用MATLAB仿真软件构成各环节，加阶跃扰动，从示波器中看曲线。掌握比例、积分、惯性、实际微分环节的动态特性。三、需用仪器及工具：MATLAB仿真软件，计算机四、

2、实验步骤:1） 进入 WINDOWS操作系统，点击 WINDOWS窗口中MATLAB图标，启动 MATLABo2)3)改变参数K观察响应曲线变化。（mux-信号集合模块）4)5）构成一个惯性环节的对象模型，接入示波器及阶跃输入，并设置模型参数T 一定，改变参数K观察响应曲线变化S peITi UX6）打开Simulink窗口，构成一个积分环节对象模型，加阶跃输入，观察响应曲 线变化。改变参数T的值，观察响应曲线变化7）打开Simulink窗口，构成一个实际微分对象模型，x加阶跃输入，观察响应曲 线变化。改变参数T、K的值，加阶跃输入，观察响应曲线变化。1、画出以上项目中系统阶跃响应曲线图，由图

3、分析系统动态特性2、区别惯性环节和实际微分之间的区别。实验二调节对象的动态特性一、实验目的：学习利用MATLAB命令得阶跃响应曲线，分析系统动态特性，了解单有、单无、多有、多无对象的动态特性。二、基本内容：利用MATLAB仿真软件构成单有对象加节跃扰动，从示波器中看曲线。学习从曲线中求各种参数。三、需用仪器及工具：MATLAB仿真软件，计算机四、实验步骤：1）进入 WINDOWS操作系统，点击 WINDOWS窗口中MATLAB图标，启动 MATLABo2）点击MATLAB软件，进入Simulink工作环境。3）在Simulink Library Browser（Simulink图书浏览器）中，

4、调出示波器模块、传 递函数模块（惯性环节）、阶跃信号、积分环节。4）构件一个具有阶跃输入单容有自平衡（惯性环节）的对象模型，并设置模型参数，点击StartSimulation 卜 得响应曲线，改变参数时间常数（T）， 放大系数（K），观察响应曲线变化。在单容有自平衡（惯性环节）的对象参数不变时，改变纯延迟（t），观察响 应曲线变化5）打开Simulink窗口，构造一个单容无自平衡（积分环节）对象模型，改变参数T的值，观察响应曲线变化。在单容无自平衡（积分环节）对象参数不变时，改变纯延迟（t），观察响应 曲线变化6）打开Simulink窗口，构造一个多容（双容）有自平衡（W（s）=），改变（TS

5、 +1） n参数T、K、T的值，观察响应曲线变化。7）打开Simulink窗口，构造一个多容（三容）无自平衡（W（s）=），T s （Ts +1） n改变参数T、K、T的值，观察响应曲线变化。五、实验结果记录及分析：画出以上项目中系统阶跃响应曲线图，由图分析系统动态特性（组态王演示）实验三调节器动作规律实验一、实验目的：了解调节器参数对过程的影响，学习利用MATLAB仿真软件二、基本内容：利用MATLAB仿真软件构成P、PI、PD、PID调节对象的数学模型，通过修改参数，作出动态特性曲线。三、需用仪器及工具：MATLAB仿真软件，计算机四、实验步骤：1）进入 WINDOWS操作系统，点击 WI

6、NDOWS窗口中MATLAB图标，启动 MATLABo2）点击MATLAB软件，进入Simulink工作环境。3）在Simulink Library Browser（Simulink图书浏览器）中，调出示波器模块、传 递函数模块（惯性环节）、阶跃信号。4）构成纯比例调节器K（P）=-对象模型，并设置模型参数，点击StartSimulation6卜得响应曲线，改变比例带（6 ）参数，观察响应曲线变化。StepGainScope5 ）构成比例积分调节器PI（比例环节K+积分环节）对象模型， TsGpi （s） = ：（1 + T）并设置模型参数，点击StartSimulation卜 得响应曲线，改

7、广变比例带（6 ）、积分时间（T.）参数，观察响应曲线变化。一一 . 一 .，一 .1.，一.6 ）构成比例积分微分倜节器PID（比例环节K+积分环节一 +微分环节 Ts T s )对象模型，G (s) = -1(1 +上+ T s)并设置模型参数，点击1 + TDsdpi 5 Ts dStartSimulation ，得响应曲线，改变比例带（ ）、积分时间（T.）、微分时 间（TD）参数，观察响应曲线变化。调节器（1）比例调节器（P）：积分系数Ki增益模块和微分系数Kd增益模块中的增益值Gain均设为0，此时调节器为比例调节规律，其传递函数为：W （s）=1 = K式中：5比例带；K比例系数

8、（K = 15 ）。（2）比例积分调节器（PI）：微分系数Kd增益模块中的增益值Gain设为0，此 时调节器为比例积分调节规律，其传递函数为：式中：T积分时间；iK积分系数(K =1/T )。(3)比例积分微分调节器(PID):此时调节器为比例积分微分调节规律，其传递函数为：W (s)= - + + T s = K + K - + K st 6 Ts d p i s di式中：T微分时间;七微分系数(Kd = T )o五、实验结果记录及分析画出以上项目中系统阶跃响应曲线图，由图分析系统动态特性附：1、PID调节器叠加作用效果图G a i n2、各环节响应曲线实验四单回路控制系统的整定一、实验目

9、的：1、了解被控对象的特性对控制系统控制品质的影响。2、掌握不同调节规律的调节器（P、PI、PID ）对控制系统控制品质的影响。3、熟悉MATLAB软件中Simulink工具箱的使用方法及在控制系统设计仿真中 的应用。4、掌握单回路控制系统中不同调节规律的调节器的参数整定方法。二、基本内容：本实验利用MATLAB软件中Simulink工具箱中的功能模块组成具有不同调节规律的单回路控制系统，并对其进行仿真研 究，控制系统方框图如下图所示三、需用仪器及工具：MATLAB仿真软件，计算机四、实验步骤：1）进入 WINDOWS操作系统，点击 WINDOWS窗口中MATLAB图标，启动 MATLAB。2

10、）点击MATLAB软件，进入Simulink工作环境。3）在Simulink Library Browser（Simulink图书浏览器）中，调出示波器模块、传 递函数模块（惯性环节）、阶跃信号。4）构成单回路对象模型，并设置模型参数，点击StartSimulation 卜得响应 曲线，改变PI调节器参数（改变比例带（6）、积分时间（Ti），观察响应曲线变化.调整调节器参数，使曲线达到合适过程。鼠标反键* Format：）Flip block5)有扰动信号下的单回路控制系统仿真被控对象在图1 17所示的单回路控制系统中，由三个一阶惯性环节仿真模块(Transfer FcnlTransfer F

11、cn3 )串联组成一个三阶惯性被控对象，其传递函 数为：W (s) =1(20s +1)3内扰在图1 17所示的单回路控制系统中，采用阶跃信号输出模块作为内扰的 扰动源，在阶跃信号输出模块(Step)的参数设置对话框中，可以设置内扰发生的 时间和幅值。外扰在图1 17所示的单回路控制系统中，采用阶跃信号输出模块作为外扰的 扰动源，并采用三个一阶惯性环节仿真模块串联组成具有三阶惯性的外扰通道， 其传递函数为：W (s )=1(30s +1四、实验要求1、在MATLAB软件的Simulink工具箱中，打开一个Simulink控制系统仿真界面，在其中建立如图1 17所示的单回路控制系统方框图。2、在

12、图1 17所示的单回路控制系统中，采用理论计算法对比例调节器(P)的比例带 和比例系数K进行计算。3、在图17所示的单武路控制系统中，采用书中介绍的试验整定方法对比例积 分调节器(PI)和比例积分微分调节器(PID)的各参数进行整定，并通过仿真曲 线分析调节器参数对控制系统控制品质的影响。4、通过仿真曲线分析内、外扰动对控制系统控制品质和调节过程的影响。五、实验结果记录及分析：实验五串级控制系统实验一、实验目的了解调节器参数对过程的影响，学习利用MATLAB软件。二、基本内容利用MATLAB构成多回路调节对象的数字模型；通过对参数的修改作出动态特 性曲线。三、需用仪器及工具MATLAB仿真机，

13、计算机四、实验步骤（1）进入 WINDOWS操作系统，点击 WINDOWS中的 MATLAB图标启动 MATLAB（2）点击MATLAB进入SIMULINK工作环境（3）在SIMULINK LIBRARY BROWER中调出模块，（示波器，传递函数，惯 性环节）阶跃信号。（4）构成串级多回路对象模型，设置模型参数，点击START SIMULATION 得响应曲线，改变主、副调节器参数，观察曲线变化。（注：被控对象传递函数的特征参数分析见课本P79）五、实验结果记录及分析主、副调节器控制规律的选择不同情况下选用的控制规律序号 工艺对主、副变量的要求应选控制规律1主变割副变量主调-H-S&副调-H

14、-R&1重要仪表，要求很高要求不高， 允许有余差PIDP2主要指标， 要求较高主要指标， 要求较高PI. PI3要求不高，互相协调要求不高，互相协调二实验六前馈反馈控制系统实验一、 实验目的了解调节器参数对过程的影响，理解前馈通道的引入对控制系统的作用， 学习利用MATLAB软件。二、基本内容利用MATLAB仿真软件构成单回路调节对象的数学模型，通过修改参数， 作出动态特性曲线。三、需用仪器及工具：MATLAB仿真软件，计算机四、实验步骤1）进入 WINDOWS操作系统，点击 WINDOWS窗口中MATLAB图标，启动 MATLAB。2）点击MATLAB软件，进入Simulink工作环境。3）

15、在Simulink Library Browser（Simulink图书浏览器）中，调出示波器模块、传递 函数模块（惯性环节）、阶跃信号。4）构成前馈控制系统对象模型，设置参数，点击start simulation卜得响应曲线， 改变调节器的参数，观察曲线变化，使曲线达到合适的过程。五、记录实验结果及分析二、三、四、实验步骤:（一）对象特性的实验给出在蒸汽量D和给水量W扰动下的动态特性曲线实验七单冲量给水控制系统的整定实验目的：了解调节器参数对过程的影响，学习利用MATLAB仿真软件， 构成给水调节对象的数学模型，通过修改参数，作出动态特性 曲线。基本原理：利用MATLAB仿真软件构成给水调节

16、对象的数学模型，通过 修改参数，测试在蒸汽量D和给水量W扰动下的动态特性曲 线。需用仪器及工具：MATLAB仿真软件，计算机1）在D扰动下，调节对象动态特性曲线2）在W扰动下，调节对象动态特性曲线（二）单冲量给水控制系统仿真分别绘出在D、W扰动下的调节对象的动态特性:1）在D扰动下，调节对象动态特性曲线2）在W扰动下，调节对象动态特性曲线3）在D、W扰动下，改变调节器PID参数，到合适的参数，并观察响应曲 线的变化五、实验结果记录及分析:实验八单级三冲量给水控制系统的整定一、实验目的：了解调节器参数对过程的影响，学习利用MATLAB仿真软件，构成单级三冲量给水控制系统的的数学模型，通过修改参数

17、， 作出动态特性曲线。二、基本原理：利用MATLAB仿真软件构成单级三冲量给水控制系统的数学模型，通过修改参数，测试在蒸汽量D、给水量W、汽包水 位H扰动下的动态特性曲线。三、需用仪器及工具：MATLAB仿真软件，计算机四、实验步骤：1）进入 WINDOWS操作系统，点击 WINDOWS窗口中MATLAB图标，启 动 MATLABo2）点击MATLAB软件，进入Simulink工作环境。3）在Simulink Library Browser（Simulink图书浏览器）中，调出示波器模块、传递函数模块（惯性环节）、阶跃信号。4）构成单级三冲量给谁控制系统对象模型，并设置模型参数，点击在蒸汽量D

18、扰动下，调节对象动态特性曲线在给水量W扰动下，调节对象动态特性曲线在汽包水位H扰动下，调节对象动态特性曲线 在蒸汽量D、给水量W、汽包水位H扰动下，改变调节器PID参数， 到合适的参数，并观察响应曲线的变化五、实验结果记录及分析:实验九 过热汽温串级控制系统仿真实验一、实验目的1、了解过热汽温串级控制系统的结构组成。2、掌握过热汽温串级控制系统的性能特点。3、掌握串级控制系统调节器参数的实验整定方法。4、分析不同负荷下被控对象参数变化对控制系统控制品质的影响。二、实验原理本实验以某300MW机组配套锅炉的过热汽温串级控制系统为例，其原理结 构图如下图所示：喷水过热器 减温器过热器pi 1PI

19、2K执行机构减八温水即b图3 1过热汽温串级控制系统原理结构图由上图，可得过热汽温串级控制系统的方框图如下：扰动主调节器副调节器W执行机构 蜜导刖区对象惰性区对象-KjW 小- W2(s)W】(s)-测量变送器Y Iff?!测量变送器*1图32过热汽温串级控制系统方框图主调节器在图3-2所示的过热汽温串级控制系统中主调节器七1 G)采用比例积分微 分(PID)调节器，其传递函数为：W (s)= fl + + T s 1 = K + K - + K sT18 T s d 1 Jplil sd 1式中：Kp 1 主调节器比例系数(Kp 1=1.*)；K1 主调节器积分系数(K1 = 1jT8 1)

20、;K1 1主调节器微分系数(K1 1 = )1/8 1 )。副调节器在图3-2所示的过热汽温串级控制系统中副调节器W2(s)采用比例(P)调 节器，其传递函数为：W (s )= = KT 28 P 2式中：K 2副调节器比例系数(K 2 = 182)。导前区对象在图3-2所示的过热汽温串级控制系统中导前区对象W (s)在50%和100%2负荷下的传递函数分别为：(1) 50%负荷下导前区对象传递函数：(葺1)(2) 100%负荷下导前区对象传递函数:0.815(18 s +1)惰性区对象在图3-2所示的过热汽温串级控制系统中惰性区对象W (s)在50%和100%1负荷下的传递函数分别为：(1)

21、 50%负荷下惰性区对象传递函数:1.119(42 s +1)3(2) 100%负荷下惰性区对象传递函数:1.276(18s +1三、实验步骤1、在MATLAB软件的Simulink工具箱中，打开一个Simulink控制系统仿真界面，根据图3-2所示的过热汽温串级控制系统方框图建立仿真组态图如下：惰性区对象传递函数模块的建立惰性区对象传递函数为三阶惯性环节，在组态图中采用建立子模块的方式建立惰性区对象传递函数模块。在Simulink控制系统仿真界面中将3个一阶惯性环节仿 真模块串联构成惰性区对象传递函数，如下图所示:图3-4惰性区对象传递函数拖动鼠标将上图所示串联在一起的3个一阶惯性环节仿真模

22、块选中，并将鼠标放 在选中的模块上点击右键，在弹出的菜单中选择Create Subsystem （建立子模块） 命令，即可建立一个名为“Subsystem 的子模块，如下图所示：图35惰性区对象传递函数模块的建立“Subsystem子模块即为图3 3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中的惰 性区对象传递函数模块W1(s)。双击Subsystem子模块，可以打开如图3 6 所示的窗口，在其中可以对各环节的参数进行修改。图3 6“ Subsystem 子模块窗口2、将图3 3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中导前区对象传递函数W2(s) 和惰性区对象传递函数W1(s)设为100%负荷下的传递函数

23、：100%负荷下惰性区对象传递函数:W 1(s) =1.276(18s +1)3. 100%负荷下导前区对象传递函数：W2(s)=0：815(18s +1)对过热汽温串级控制系统的参数进行整定的步骤如下：(1)副调节器参数的整定将图3-3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中主回路反馈系数r1设为 0 (即断开主回路的反馈)，同时令主调节器的比例系数Kp1 = 1,积分系数 Ki1=0,微分系数Kd1=0。将阶跃信号输出模块(Step)的终值(Final value) 设为过热蒸汽温度的稳态值535r，仿真时间设为100s，逐渐增加副调节器 的比例系数Kp2,在响应曲线显示器Scopel中观察温

24、度t2的变化，使温度 t2尽快达到稳定，并尽量接近稳态值535r，此时的比例系数Kp2即为副调 节器的比例系数。(2)主调节器参数的整定将图3-3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中主回路反馈系数r1改为 1 (即将主回路反馈投入)，副调节器的比例系数Kp2保持上一步的整定参数 不变，仿真时间设为1000s，逐渐增加主调节器的比例系数Kp1，在响应曲 线显示器Scope中观察温度tl的变化，直至响应曲线出现等幅振荡，记下 此时的比例系数Kpl，取倒数即为临界比例带5.，同时通过响应曲线估算出 振荡周期Tk，带入以下公式即可以计算主调节器的各参数：主调节器比例系数：K =滂5-k 主调节器积分系

25、数：K =1一，10.84T 5kk主调节器微分系数：K =-d 1 6.685k3、完成过热汽温串级控制系统的参数整定后，在500s时加入减温水扰动，即将 阶跃信号输出模块(Step1)的响应时间(Step time)设为500，终值(Final value) 设为1000，仿真后在响应曲线显示器Scope中观察减温水量增加后对过热蒸汽 温度tl的影响。4、将图3-3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中导前区对象传递函数W2(s) 和惰性区对象传递函数W1(s)改为50%负荷下的传递函数： 50%负荷下惰性区对象传递函数：W 1(s)=7 1.119i(42s +1)350%负荷下导前区对象

26、传递函数:W 2 (s )=3.076(25s +1)首先保持主、副调节器参数不变，通过仿真曲线分析被控对象参数变化后对控制系统控制品质的影响，然后按步骤2重新对主、副调节器参数进行整定。实验十导前微分汽温控制系统的整定一、实验目的：了解调节器参数对过程的影响，学习利用MATLAB仿真软件，构成串级汽温控制系统的的数学模型，通过修改参数，作出 动态特性曲线。二、基本原理：利用MATLAB仿真软件构成串级汽温控制系统的数学模型，通过修改参数，测试在内扰、外扰动下的动态特性曲线。三、需用仪器及工具：MATLAB仿真软件，计算机四、实验步骤1）进入 WINDOWS操作系统，点击 WINDOWS窗口中

27、MATLAB图标， 启动 MATLABo2）点击MATLAB软件，进入Simulink工作环境。3）在Simulink Library Browser（Simulink图书浏览器）中，调出示波器模 块、传递函数模块（惯性环节）、阶跃信号。4）构成串级汽温控制系统对象模型，并设置模型参数，点击StartSimulation卜得响应曲线。二当内扰作用时：当外扰作用时；当内、外扰同时作用时:五、实验结果记录及分析：六、试分析导前微分控制系统与串级控制系统的异同?附表:MATLAB工具箱简介一、Simulink工具箱简介1、Simulink工具箱的启动与主要模块介绍启动MATLAB软件，在主程序窗口中

28、点击“Simulink按钮”，可以打开Simulink工具箱的主窗口，如下图所示:Shortcuts 启 How to Add E Whats NewCommand WindowAll Files 回untitl况.巳rreters: Step阶跃信号厂 、一 初始值Jramet ers阶跃信号、发生时间StepOutput a st ep.+ ep t i m h ： E!Ini t ial value：:Final value:阶跃信号.最终值Sample time: 00 Int e rp ret v ecto r pa ram e t e r e az 1_D0 Enab1e zero

29、 croEEinE det ect ion图1-7阶跃信号输出模块（Step）参数设置对话框产生的时在参数设置对话框中，可以通过修改相应的数值，改变除跃信号 间、信号的初始值和最终值。响应曲线显示模块（Scope）在图1-2所示的Simulink工具箱主窗口的功能模块组列表中点击Sinks功 能模块组， 会在窗口右边出现对应的各功能模块，用鼠标选择其中的响应曲线显示模块放大镜按钮标为响应曲线的幅值，s），纵坐U系统的响（Scope）并按住左键将其拖到图1-3所示的Simulink控制系统仿真界面中，即 可得到一个响应曲线显示模块（Scope）。双击响应曲线显示模块（Scope），可以 打开其响

30、应曲线显示器如下图所示：应曲线，点击“放大镜按钮”可以自动以最佳比例显示响应曲线。2、控制系统方框图的建立进行仿真实验前，需要将已经拖到图1 3所示的Simulink控制系统仿真界 面中的各功能模块按一定顺序用信号线连接在一起，以建立控制系统的方框图。 功能模块的连接任何一个功能模块均有一个或多个信号输入端或信号输出端，以一阶惯性环 节仿真模块（Transfer Fcn）为例：.0.5I 一信号输入端JTransfer Fcn信号输出端J将鼠标指针放在功能模块的信号输出端，此时鼠标指针变为十字形（图1 9），按住左键拖动鼠标指针到另一个模块的信号输入端，当鼠标指针变为十字形 时松开左键，即可以

31、建立连接两个功能模块的信号线（图1 10），连接过程如 下图所示：Trarisfer Fcnhe opeTrarisfer FcnScope图 19图 1 10信号分支线在建立反馈回路或一个信号需要同时送往多个功能模块时，需要在信号线 上引出分支。将鼠标指针放在信号线的合适位置（即分支引出点）点击右键，按住右键拖 动鼠标指针，在需要转弯出松开右键，即出现一条带箭头的虚线（图1 11）， 鼠标指针放在虚线箭头处，此时鼠标指针变为十字形（图1 12），按住左键拖 动鼠标指针到所需功能模块的信号输入端松开左键即可（图1 13），过程如下 图所示：图 1 11图 1 12图 1 133、控制系统的仿真在图1 3所示的Simulink控制系统仿真界面中建立了控制系 统的方框图后，即可以对控制系统进行仿真。以一个简单的单回路比例控制系统 为例，首先在Simulink控制系统仿真界面中建立控制系统的方框图如下