过程控制实验报告【范本模板】

过程控制实验实验报告
班级:自动化1202
姓名：杨益伟
学号:１２09００321
２015年１0月
信息科学与技术学院
实验一 过程控制系统建模
作业题目一:
常见的工业过程动态特性的类型有哪几种?通常的模型都有哪些?在Simul ｉnk 中建立相应模型，并求单位阶跃响应曲线.
答:常见的工业过程动态特性的类型有:无自平衡能力的单容对象特性、有自平衡能力的单容对象特性、有相互影响的多容对象的动态特性、无相互影响的多容对象的动态特性等。

通常的模型有一阶惯性模型，二阶模型等． 单容过程模型
1、无自衡单容过程的阶跃响应实例
已知两个无自衡单容过程的模型分别为s s G 5.01)(=和s
e s
s G 55.01)(-=
,试在Ｓｉｍuli ｎk 中建立模型，并求单位阶跃响应曲线。

Ｓｉmul ｉｎk 中建立模型如图所示: 得到的单位阶跃响应曲线如图所示：
2、自衡单容过程的阶跃响应实例
已知两个自衡单容过程的模型分别为122)(+=s s G 和s e s s G 51
22
)(-+=
,试在Simu ｌink 中建立模型,并求单位阶跃响应曲线.
Simu ｌink 中建立模型如图所示： 得到的单位阶跃响应曲线如图所示:
多容过程模型
3、有相互影响的多容过程的阶跃响应实例
已知有相互影响的多容过程的模型为1
21
)
(2
2++=
Ts s T s G ξ,当参数1=T ， 2.1 ,1 ,3.0 ,0=ξ时，试在S ｉmulink 中建立模型,并求单位阶跃响应曲线
在Ｓｉｍu ｌin ｋ中建立模型如图所示: 得到的单位阶跃响应曲线如图所示：
4、无相互影响的多容过程的阶跃响应实例
已知两个无相互影响的多容过程的模型为)
1)(12(1
)
(++=
s s s G (多容有自衡能力的对象）和
)
12(1
)(+=
s s s G (多容无自衡能力的对象）,试在Ｓimulink 中建立模型,并求单位阶跃响应曲线。

在Simu ｌin ｋ中建立模型如图所示: 得到的单位阶跃响应曲线如图所示：
作业题目二:
某二阶系统的模型为2
() 22
4n
G s s s n n
ϖζϖϖ=
++，二阶系统的性能主要取决于ζ，n ϖ两个参
数。

试利用Simu ｌin ｋ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，分别进行下列仿真:
（1）2n ϖ=不变时,ζ分别为0。

1, ０。

８， １.０, 2。

0时的单位阶跃响应曲线；
从上至下ζ分别为０。

１,0。

８,1.0，2.0
（2）0.8ζ=不变时，n ϖ分别为2， 5, 8, １０时的单位阶跃响应曲线.
从下到上wn 分别为2,5,8,10
实验二PIＤ控制
作业题目:
建立如下所示Siｍulｉｎk仿真系统图。

利用Simuliｎk仿真软件进行如下实验:
1.建立如图所示的实验Simuliｎｋ原理图．
2.双击原理图中的PID模块，出现参数设定对话框，将PIＤ控制器的积分增益和微分增益改为0，使其具有比例调节功能，对系统进行纯比例控制。

3.进行仿真，观测系统的响应曲线，分析系统性能；然后调整比例增益，观察响应曲线的变化，分析系统性能的变化。

由以上三组响应曲线可以看出,纯比例控制对系统性能的影响为：
比例调节的余差随着比例带的加大而加大,减小比例带就等于加大调节系统的开环增益,其后果是导致系统真激烈震荡甚至不稳定,比例带很大时，被调量可以没有超调，但余差很大,调节时间也很长，减小比例带就引起被调量的来回波动,但系统仍可能是稳定的，余差相应减少。

4.重复(步骤2,3),将控制器的功能改为比例微分控制,观测系统的响应曲线，分析比例微分的作用。

由以上四组响应曲线可以看出,比例微分控制对系统性能的影响为:可以提高系统的稳定性，引入适当的微分动作可以减小余差，并且减小了短期最大偏大,提高了振荡频率
5.重复(步骤2,3)，将控制器的功能改为比例积分控制，观测系统的响应曲线,分析比例积分的作用。

由以上响应曲线可以看出，比例积分控制对系统性能的影响为:消除了系统余差,但降低了稳定性，PI调节在比例带不变的情况下,减小积分时间TI(增大积分增益Ｉ)，将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高
6.重复(步骤2，3)，将控制器的功能改为比例积分微分控制,观测系统的响应曲线，分析比例积分微分的作用。

由以上几组响应曲线可以看出,比例积分微分控制对系统性能的影响为:提高系统稳定性,抑制动态偏差,减小余差,提高响应速度，当微分时间较小时,提高微分时间可以减小余差,提高响应速度并减小振荡,当微分时间较大时，提高微分时间,振荡会加剧。

7.将ＰIＤ控制器的积分微分增益改为0，对系统进行纯比例控制。

不断修改比例增益，使系统输出的过度过程曲线的衰减比n=4，记下此时的比例增益值。

经过调整，当比例P=１时,终值r=0。

５，第一个波峰值y1=0.72,第二个波峰值ｙ2=0。

55,衰减比约为4,如下图所示
8.修改比例增益，使系统输出的过度过程曲线的衰减比n=２,记下此时的比例增益值。

经过调整,当比例P＝12时，终值r＝0.93，第一个波峰值y1=1.6,第二个波峰值ｙ２=1．25衰减比约为2，如下图所示
9.修改比例增益，使系统输出呈现临界振荡波形，记下此时的比例增益.
Ｐ=10０ｐ=1０00
由图可知,Ｋp值越大,系统的衰减比越小。

故要使系统呈现临界波形，可使Kｐ趋于无穷大
10.将ＰＩD控制器的比例、积分增益进行修改,对系统进行比例积分控制。

不断修改比例、积分增益，使系统输出的过渡过程曲线的衰减比n=2,4，１0,记下此时比例和积分增益。

将PＩD控制器的比例、积分、微分增益进行修改，对系统进行比例积分控制。

不断修改比例、积分、微分增益，使系统输出的过度过程曲线的衰减比ｎ=2，４,10,记下此时比例、积分、微分增益。

对系统进行比例积分控制：
n=２
经过调整，当比例P=2,I＝0。

6时
终值r=１,第一个波峰值ｙ1=1。

3０，第二个波峰值y2=１。

1６,衰减比约为2，如下图所示
经过调整,当比例P＝2.9,I=0。

42时
终值r=0．99，第一个波峰值ｙ１=1。

06，第二个波峰值ｙ２=1。

28,衰减比约为4
n＝1０
经过调整,当比例P=1。

23，Ｉ=0。

02时
终值r=0.62,第一个波峰值y1=0。

8２，第二个波峰值ｙ2=０.64,衰减比约为１0
对系统进行比例积分微分控制
ｎ=2
经过调整,当比例P=６，I=1,D＝０.05时
终值r=１，第一个波峰值y１=1。

5，第二个波峰值y2=１。

２5,衰减比约为2
经过调整,当比例P=6,Ｉ=0．5，D=０。

5时
终值ｒ=０.97，第一个波峰值y1＝１。

3６,第二个波峰值ｙ2=1。

06，衰减比约为4，如下图所示
n=１0
经过调整,当比例P=11，Ｉ=０．05,D=2时
终值ｒ=０。

92，第一个波峰值ｙ1=1。

3,第二个波峰值y2＝０.96,衰减比约为１0，如下图所示
实验三 串级控制
作业题目:
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G o1,G ｏ2分别
为:1211
(),1001101
o o G s G s s ==
++，副回路干扰通道的传递函数为：221()201d G s s s =++。

（1） 画出串级控制系统的方框图及相同控制对象下的单回路控制系统方框图. （2） 用S ｉmuli ｎｋ画出上述两个系统的仿真框图
串级控制系统的方框图如下所示:
单回路控制系统方框图如下所示：
（3） 选用P ＩD 调节器,整定主副控制器的参数，使该串级控制系统性能良好,并绘制
相应的单位阶跃响应曲线。

经过不断试验,当PID C1为主控制器输入比例系数为360,积分系数为30，微分系数为６0时;当ＰI Ｄ C2为副控制器输入比例系数为5,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P ＩD 参数时
二次扰动作用下的阶跃响应： 一次扰动下的阶跃响应:
（4）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。

单回路控制系统在相同的副扰动下的单位阶跃响应曲线：
二次扰动作用下的阶跃响应: 一次扰动下的阶跃响应：
串级控制系统在相同的副扰动下的单位阶跃响应曲线：
二次扰动作用下的阶跃响应: 一次扰动下的阶跃响应:
比较上图故可知串级系统由于副回路的存在对扰动的抑制能力更强。

因扰动经干扰通道进入回路后首先影响副回路的输出,副回路反馈后引起副控制器立即动作,力图消弱干扰影响,使得干扰经过副回路的抑制后再进入主回路,对主回路的输出影响大为减弱
实验四 比值控制
作业题目：
在例一中如系统传递函数为43
()151
s G s e s -=+,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43
()151
s G s e s -=+分母中“15”变化10%±时控制系统的鲁棒
性。

(1)分析从动量无调节器的开环系统稳定性。

由控制理论知，开环稳定性分析是系统校正的前提。

系统稳定性的分析可利用Bode 图进行,编制MATLA Ｂ Bod ｅ图绘制程序(M —di ｌe)如下:
c ｌe ａｒ a ｌl cl ｏse a ｌl
Ｔ＝1５;K0=３;t ａo=4； n ｕm ＝[K0]；den ＝［T,1];
Ｇ=ｔf （n ｕm,den ，＇in ｐutdel ａｙ',t ａｏ);
margin （G ）
执行该程序得系统的Ｂode 图如图所示,可见系统是稳定的。

幅值裕量为６.７7dB ，对应增益为2．2
(2)选择从动量控制器形式及整定其参数。

根据工程整定的论述,选择PI 形式的控制器,即() I
p K G s K s
=
+。

本处采用稳定边界法整定系统.先让I K ＝0，调整p K 使系统等幅振荡(由稳定性分析图知在p K ＝2。

２附近时系统震荡），即使系统处于临界稳定状态。

系统S ｉmu ｌink 框图如下所示
调节0.3,0.02p I K K ==时，系统响应图如下所示,基本达到了振荡临界要求
(3）系统过程仿真。

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Ｓimu ｌink 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:
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.
（４）单闭环比值控制系统鲁棒性分析
要求分母中“1５”变化１0%,即积分时间为1３。

5~1６。

5，分析系统鲁棒性。

系统仿真框图如下图所示
延时选择模块Ｓubsｙsteｍ的展开图如下所示
改变积分时间常数为13.５，13.8……1６．5共11个值。

经过运行后在工作空间绘图（使用语句：plｏt（t ｏut,simouｔ）；hold on；grid on)即可见到下图的仿真结果。

仿真结果可见,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,说明系统在积分时间发生10%变化时仍能正常工作,系统的鲁棒性较强.
实验五 解耦控制系统
作业题目:
在例题中若输入输出之间传递关系改为112211
0.5()()7131 ()50.3()13151Y s X s s s Y s X s s s ⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎡⎤++=⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎣⎦⎣⎦
⎢⎥⎢⎥++⎣⎦
，其他参数不变,试利用
对角阵解耦方法实现系统的过程控制。

(1) 求系统相对增益以及系统耦合分析 由题得系统静态放大系数矩阵为⎥⎦⎤⎢
⎣⎡22211211k k k k =⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡3.05-5.011
即系统的第一放大系数矩阵为:⎥⎦
⎤
⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=3.055.0112221121122211211k k k k p p p p P
系统的相对增益矩阵为：⎥⎦
⎤⎢⎣⎡=Λ57.043.043.057.0 由相对增益矩阵可以得知，控制系统输入、输出的配对选择是正确的;通道间存在较强的相互耦合,应对系统进行解耦分析。

系统的输入、输出结构如下图所示
（2）确定解耦调节器
根据解耦数学公式求解对角矩阵,即
=
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡---=⎥⎦⎤⎢⎣⎡)(11)(21)(12)(22)(21)(12)(22)(111
)(22)(21)(12)(11s Gp s Gp s Gp s Gp s Gp s Gp s Gp s Gp s N s N s N s N ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡++++---++++=3.38.527.1285544082515.0365.133.38.527.1288.58.822.2161222222S S S S S S S S S S 采用对角矩阵解耦后，系统的结构如下图所示:
解耦前后系统的simuliｎk阶跃仿真框图及结果如下:
1。

不存在耦合时的仿真框图和结果
图ａ
2.系统耦合Siｍulinｋ仿真框图和结果
图b
3.对角矩阵解耦后的仿真框图和结果
图ｃ
对比图a和图b可知，本系统的耦合影响主要体现在幅值变化和响应速度上,但影响不显著。

其实不进行解耦通过闭环控制仍有可能获得要求品质。

对比图a和图ｃ可知，采用对角解耦器后系统的响应和不存在耦合结果一样,采用对角实现了系统解耦。

解耦后系统可按两个独立的系统进行分析和控制.
（3).控制器形式选择与参数整定
通过解耦,原系统已可看成两个独立的单输入输出系统。

考虑到PＩＤ应用的广泛性和系统无静差要求，控制器形式采用PI形式．
PＩ参数整定通过解耦的两个单输入输出系统进行,整定采取试误法进行。

当ｘ1y1通道Kp=２０,Ki=３时系统的阶跃响应如图:
当x2y２通道Kｐ=35,Ｋi=５时系统阶跃响应如图:
(4)系统仿真
采用对角矩阵解耦时,控制系统如下图所示:
为了比较解耦和不解耦两种情况，分别列出两种情况的Sｉmulinｋ框图和仿真结果。

解耦时系统的Sｉmｕlink仿真框图及结果(第二幅图中的响应曲线从上往下依次是通道x2ｙ2的输入波形和响应波形、通道x1ｙ1的输入波形和响应波形以及随机扰动波形):
不解耦时系统的Sｉmｕｌink仿真框图及结果（第二幅图中的响应曲线在t=1ｓ处从上往下依次是通道x２y2的输入波形和响应波形、通道x1y１的输入波形和响应波形以及随机扰动波形）：
由图对比结果可知,系统解耦后系统的动态响应有一定改善,但改善不大,这是由于耦合较弱所致。

因此当要求不高时，系统可以不采取解耦措施。