过程控制系统实验指导书.doc

过程控制系统实验指导书信息与控制学院实验一PID参数整定与单回路过程控制系统仿真一、实验目的(1)熟悉Simulink的常用界面以及常用的功能模块；(2)掌握C-C工程整定参数的方法；(3)掌握Z-N工程整定参数的方法。二、实验内容已知被控广义对象的传递函数为：采用工程整定参数的方法，利用PID控制器，完成P、PI、PID控制时的参数整定、系统仿真图、单位阶跃响应。三、实验原理由题目可知系统的增益K、时间常数T和纯迟延时间τ分别为：K=8、τ=180s、T=360s。1、C-C工程整定参数方法根据C-C工程整定方法的计算公式，可得①P控制时：Kc=(T/τ+0.333)/K=0.2916利用图1.1所示的Simulink系统方框图，将仿真时间设置为2000，启动仿真，便可在示波器中看到如图1.1所示的系统在P控制时的单位阶跃响应曲线。spessG180)1360(8)(图1.1系统仿真图及阶跃响应曲线（P控制）②PI控制时：Kc=(0.9*T/τ+0.082)/K=0.2353；Ti=(3.33*τ/T+0.3*(τ/T)^2)/(1+2.2*τ/T)*T=298.2857利用图1.2所示的Simulink系统方框图，将仿真时间设置为2000，启动仿真，便可在示波器中看到如图1.2所示的系统在PI控制时的单位阶跃响应曲线。图1.2系统仿真图及阶跃响应曲线（PI控制）③PID控制时：Kc=(1.35*T/τ+0.27)/K=0.3713；Ti=(2.5*τ/T+0.5*(τ/T)^2)/(1+0.6*τ/T)*T=380.7692Td=(0.37*τ/T)/(1+0.2*τ/T)*T=60.5455图1.3系统仿真图及阶跃响应曲线（PID控制）由图1.3可知，根据C-C工程整定方法得到的控制器参数，系统在PID控制时阶跃响应的超调量大约为60%，上升时间大约为300s；过渡过程时间大约为2000s。2、Z-N工程整定参数方法根据Z-N工程整定方法表，可得①P控制时：Kc=1/δ=T/(τ*K)=0.25；②PI控制时：Kc=1/δ=T/(1.1*τ*K)=0.2273；Ti=3.3*τ=594；③PID控制时：Kc=1/δ=T/(0.85*τ*K)=0.2941；Ti=2*τ=360；Td=0.5*τ=90利用以上所示系统的Simulink方框图，设置相应的控制器参数后，启动仿真，便可在示波器中看到如图1.4所示的系统在P、PI和PID控制时的单位阶跃响应曲线。图1.4阶跃响应曲线（P、PI、PID控制）由图1.4可知，根据Z-N工程整定方法得到的控制器参数，系统在PID控制时阶跃响应的超调量大约为30%，上升时间大约为300s；过渡过程时间大约为1500s。四、实验要求在Simulink环境下，完成两种工程整定方法下的控制系统仿真图及阶跃响应图。实验二串级控制系统仿真一、实验目的(1)加深对串级控制系统原理的理解；(2)初步掌握串级控制系统的分析与设计方法。二、实验内容某隔焰式隧道窑温度控制系统，构成以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，假设主、副对象、控制阀的传递函数分别为：150)(1001sesGs17)(502sesGs5.2)(vvKsG控制器采用PID控制器，其中Kp=0.36，Ti=45，Td=0。1、单回路控制方式（1）分别完成烧成带温度控制系统和燃烧室温度控制系统的仿真图（2）两种仿真图下的D1和D2两种干扰分别作用时的单位阶跃响应曲线2、串级控制方式（1）完成串级控制方式仿真图（2）系统在D1和D2两种干扰分别作用和同时作用下的单位阶跃响应曲线三、实验原理1、单回路控制系统2、串级控制系统主控制器为PI控制规律，Kp=3.5，Ti=41。副控制器为P控制规律，调节阀Kv=2.5。四、实验要求1、设计实验方案2、在Simulink环境下，完成两种单回路控制系统仿真图及阶跃响应曲线。3、在Simulink环境下，完成串级控制系统仿真图及阶跃响应曲线。实验三补偿控制系统仿真一、实验目的1、进一步理解前馈—反馈控制系统的结构；2、加深对系统性能和整定方法的理解。二、实验内容已知前馈-反馈控制系统中控制通道和干扰通道的传递函数分别为：假设反馈控制器采取PI控制，试整定该系统。三、实验原理（1）根据前馈—反馈控制系统的方框图，利用题目的传递函数建立如图4.1所示系统的Simulink仿真模型。图中PIDController模块（PIDController）复制于Simulink的扩展模块库SimulinkExtras中，它们的参数分别设置为Kc、Ki和0。图4.1前馈—反馈控制系统的Simulink仿真图Sum的调整：1++改成++1sdessG2121)(spessG1101)(()cGs（2）断开图中开关switch1和switch2，使系统处于无干扰的反馈运行状态下，按照反馈控制系统方法整定该系统的反馈控制器的参数，直到得到满意的结果，单位阶跃响应如图4.2所示（Kc=1.6；Ki=0.618）（3）由于系统干扰通道和控制通道的传递函数已知，故前馈控制器的传递函数可直接求得，即：spdffesssGsGsG12110)()()(（4）闭合开关switch1和switch2，并将switch分别置于左侧和右侧，即前馈-反馈控制系统在脉冲（时间为t=30—50,幅值为0.5）和随机噪声干扰作用下的阶跃响应如图4.3、4.4所示。（噪声NoisePower0.1;sampletime0.1）图4.3脉冲干扰图4.4随机噪声干扰（5）断开开关switch1，闭合开关switch2，并将switch置于右侧，即反馈控制在随机噪声干扰作用下的响应如图4.5、4.6所示。图4.5随机噪声干扰(NoisePower2;sampletime29.5)图4.6随机噪声干扰(NoisePower0.1;sampletime0.1)四、实验要求1、在Simulink环境下，完成前馈—反馈控制系统仿真图及阶跃响应图。2、在Simulink环境下，完成反馈控制系统仿真图及阶跃响应图。实验四特殊控制系统仿真一、实验目的1、进一步理解比值控制系统的结构；2、加深对系统性能和整定方法的理解。二、实验内容某冷热水混合器比值系统要求主流量跟随副流量变化而变化，其中两流量仪表的信号比值系数为4，假设该系统副对象的传递函数为：试设计一单闭环比值控制系统来满足以上条件。三、实验原理（1）根据比值控制系统的方框图，利用题目的传递函数建立如图4.1所示系统的Simulink仿真模型。图中PIDController模块（PIDController）复制于Simulink的扩展模块库SimulinkExtras中，它们的参数分别设置为Kc、Ki和Kd；RepeatingSequenceStair模块，复制与于Sources标准模块库，用来产生阶梯序列信号以模仿主流量的变化，其参数输出幅值向量和采样时间分别设置为[31421]和50。图4.1单闭环比值控制系统Simulink仿真spesssG)12)(1(1)(（2）首先对单回路控制系统进行参数整定，整定后可得PID控制器的参数为Kc=0.3、Ki=0.2、Kd=0，将仿真时间设定为300，启动仿真，可得如图4.2所示曲线。图4.2单闭环比值控制系统输出曲线四、实验要求在Simulink环境下，单闭环比值控制系统仿真图及输出曲线。