第6章 Simulink仿真串级控制系统
最新第六章-精品simulink仿真.课件PPT
示波器
3、矩阵的迹 MATLAB中求矩阵的迹函数的调用格式为
trace(A)
3、矩阵的秩 MATLAB中求矩阵的秩函数的调用格式为
k= rank(A)
4、矩阵的特征值与特征向量 MATLAB中求矩阵的特征值与特征向量函数 的调用格式：[V，D]=eig (A)
5、矩阵的特征多项式、特征方程和特征根
解：仿真程序为：
wn=6;zeta=[0.2:0.2:1.0,2.0]; figure(1);hold on for I=zeta
num=wn.^2;
den=[1,2*I*wn,wn.^2]; step(num,den);
end title('Step Response');hold off
3 离散系统的单位阶跃响应 [y,x,t]=dstep(num,den,n) [y,x,t]=dstep(A,B,C,D,iu,n)
for epsilon=5:15 phic=(r-r0+epsilon)*pi/180; alpha=(1+sin(phic))/(1-sin(phic)); [i1,ii]=min(abs(mag1-1/sqrt(alpha))); wc=w(ii); T=1/(wc*sqrt(alpha)); numc=[alpha*T,1];denc=[T,1]; [num,den]=series(num0,den0,numc,denc); [Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(num,den); if(Pm>=r);break,end
第八章 控制系统的计算机辅助设计
8.1 频率法的串联校正方法 一、基于频率响应法的串联超前校正方法
1 超前校正装置的特性 1）超前校正装置的数学模型
串级控制系统仿真(word文档良心出品)
串级控制系统仿真解题步骤：(1)串级控制系统的方框图：（2）单回路控制系统图：图（2）为采用单回路控制时的Simulink图，其中，PID C1为单回路PID控制器，d1为一次扰动，取阶跃信号；d2为二次扰动，取阶跃信号；G o2为副对象，G o1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。
在PID参数设置中，经过不断的试验，当输入比例系数为260，积分系数为0，微分系数为140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，置输入为0，系统框图如下。
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，置输入为0，系统框图如下：系统的输出响应如下从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，系统对一次扰动，二次扰动的抑制效果不是很好。
图（1）是采用串级控制时的情况，d1为一次扰动，取阶跃信号；d2为二次扰动，取阶跃信号；PID C1为主控制器，采用PD控制，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；scope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550，积分系数为0，微分系数为80时；当PID C2为主控制器输入比例系数为3，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，置输入为0，系统的框图如下: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，置输入为0，系统的框图如下:系统的输出响应如下图: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6倍，对一次扰动的最大动态偏差也可以减小约2.4倍，系统的调节时间提高了2.5倍。
单回路控制系统在副扰动下的单位阶跃响应曲线如下：串级控制系统在副扰动作用下的节约响应曲线如下：通过对比两曲线可以看出，串级控制系统中因为副回路的存在，当副扰动作用时，副控制器会立即动作，削弱干扰的影响，使被副回路抑制过的干扰再进入主回路，对主回路的影响。
第6章 Simulink仿真串级控制系统
6.3.2 主、副控制器的设计
主、副控制器的设计主要包括三个问题： 1．主、副控制器的控制规律选择 一般说来主变量是控制的主要参数，其状态是生产工艺的主要指标，而只有对主变量控制要 求较高的条件下才考虑采用串级控制方式。 至于副控制器，如果副被控量的控制范围在工艺上要求不是太严格，那么副控制器就可以只 采用P控制。 从另一方面来说，副控制器不必要的积分作用引入，会使副回路的谐振峰值加大，谐振频率 降低，从而加大了主、副回路之间共振的可能。 2．主、副控制器的正反作用的选择 控制器正反作用的选择原则和单回路系统没有什么原则区别，先考虑副控制的正反作用选择， 其方式同单回路控制，然后考虑主调，考虑主回路时需确定副给定和其输出的“正反作用”。 此处还有一个问题应予以注意，在某些场合生产工艺要求系统既可以按串级方式运行，又可 以按以主调节器为控制器的单回路方式运行，这时应仔细核对主调的正反作用是否需加以改 变。 一般来说，如果副调节是反作用的，则主调在单纯使用时其正反作用无须改变。相反，如果 副调节是正作用的，则主调单纯使用时其正反作用方向就需要改变。 3．抗积分饱和的问题 如果副控制器采用比例控制，则主控制器的抗积分饱和与单回路控制时无任何区别，可以利 用带外反馈的间歇单元表来解决问题。如果副控制器也采用PI控制，副控制的积分饱和限制 同单回路控制器，而主控制器就复杂些，主要有两重原因： （1）积分饱和的影响更为严重。 （2）在串级系统中，不管原来原料油温度的偏差是否很大，因为某种原因副控制器进入积分 饱和，这时副控制器的输出不再变化，相当于系统开环运行，主控制器也会进入积分饱和。
6.1.1 基本概念
6.1.2 基本组成
串级控制系统的结构特点： 1．由两个或两个以上的控制器串 联而成，一个控制器的输入是另一 个控制器的设定。 2．由两个或两个以上的控制器、 相应数量的检测变送器和一个执行 器组成。 3．主回路是恒值控制系统，对主 控制器的输出而言，副回路是随动 系统，对二次扰动而言，副回路是 恒值控制系统。
控制系统的Simulink仿真
06 结论与展望
结论
控制系统Simulink仿真是一种有 效的工具，可用于模拟和分析各 种控制系统的性能。通过使用 Simulink，研究人员和工程师可 以轻松地构建和修改控制系统模 型，并使用各种仿真工具进行系 统分析和优化。
Simulink提供了广泛的模块库和 工具，可用于构建各种类型的控 制系统模型，包括线性、非线性、 离散和连续系统。这些模块可以 方便地组合和修改，以适应特定 的控制系统需求。
非线性系统仿真
总结词
对非线性系统的动态行为进行模拟的过程。
详细描述
非线性系统在Simulink中可以通过使用非线性模块进行模拟。非线性系统是指系统的 输出与输入不成比例的系统，例如某些电子设备或机械系统。在Simulink中，可以使 用非线性模块来模拟这些系统的行为，例如非线性增益、饱和等。通过调整模块参数，
• 未来，Simulink可能会引入更多先进的仿真技术和算法，以提高仿真精度和 效率。例如，基于模型的控制设计、自适应控制、预测控制等先进控制算法可 能会被集成到Simulink中，以提供更强大的分析和优化工具。
• 此外，随着物联网和智能制造等领域的快速发展，Simulink可能会扩展其模 块库和工具箱，以支持这些领域的控制系统建模和仿真。例如，增加与传感器 、执行器和其他智能设备的接口模块，以及支持实时仿真和嵌入式系统开发的 工具箱。
保障生产安全
控制系统能够及时检测和预防潜在的安全隐患， 降低事故发生的可能性。
3
节能减排
优化控制参数，降低能耗和排放，符合绿色环保 要求。
控制系统的发展历程
01
02
03
模拟控制系统
《MATLAB Simulink与控制系统仿真(第3版)》的课件 第6章 根轨迹分析法
（1）法则1：根轨迹的分支数、连续性和对称性。 （2）法则2：根轨迹的起点和终点。 （3）法则3：位于实轴上的根轨迹。 （4）法则4：趋于无穷远的根轨迹的渐近线。 （5）法则5：根轨迹的分离点和会合点。 （6）法则6：根轨迹的起始角和终止角。 （7）法则7：根轨迹与虚轴交点坐标。 （8）法则8：根轨迹上任一点所对应的根轨迹增益为
6.3.4 根轨迹分析与设计工具rltool
rltool根轨迹设计GUI界面由以下几 个主要的部分组成。 （1）补偿器描述区：给出了当前 补偿器的结构，默认值为C(s)=1。 （2）反馈结构图区：给出当前系 统的整体框图，其中F为前滤波器， G为控制对象模型，C为补偿器，H 为反馈环节。 （3）根轨迹工具条：其中的按钮 用来增加或者删除补偿器的零极点， 还可以通过鼠标完成零极点的摆放。 绘图区：用于显示系统的根轨迹。
《MATLAB/Simulink与控制系统仿 真（第3版）》
第6章 根轨迹分析法
6.1 引言 6.2 根轨迹定义 6.3 根轨迹法基础 6.4 其他形式的根轨迹 6.5 用根轨迹法分析系统的暂态特性 6.6 综合实例及MATLAB/SIMULINK应用 习题
内容提要
本章主要介绍根轨迹法的基本概念以及根轨迹图的基 本绘制规则，讲述用MATLAB绘制根轨迹图的基本方 法。
在画出根轨迹后，可交互地利用rlocfind命令来确定用户鼠标所点 之根轨迹上任意点对应的K值，K值所对应的所有闭环极点值也可 以利用形如[K, poles] = rlocfind(GH)的命令来显示。
0°根轨迹对应于图6-1中的正反馈或者开环增益K为负值的情形。 在传递函数前面插入一个负号，使用命令rlocus(GH)即可绘制系 统GH的0°根轨迹。
6.4 其他形式的根轨迹
5[1].控制系统串联校正设计及SIMULINK系统仿真
![5[1].控制系统串联校正设计及SIMULINK系统仿真](https://img.taocdn.com/s3/m/951bce11a32d7375a4178064.png)
1. 判断校正方式。求出原系统相角裕度为
r 19.4 系统
未校正前不能满足动态性能指标的要求，必须进行超前校正。 2. 计算得到校正传递函数。
0.4s 1 Gc ( s) 0.1s 1
3. 建立SIMULINK动态结构图，观察响应曲线，进行校正前 后系统性能指标对比。
① 进入Simulink后，打开一个空白的模型窗口 ② 在Sources模块库中，拖动Step模块至模型窗口，双
在sources模块库中拖动step模块至模型窗口双击该模块可以设置它的跳跃时间初值和终值进入simulink后打开一个空白的模型窗口添加其它模块并进行连线保存建立的校正前的模型
实验5 控制系统串联校正设计及SIMULINK
系统仿真
一. 实验目的：
1. 能够熟练应用Simulink工具箱
2.掌握超前校正、滞后校正和串联滞后－超前校正对系统性
对于按负反馈原 五.实验原理 理构成的自动控制 系统，给定信号与 反馈信号比较所得 到的偏差信号是最 基本的信号。为了 得到需要的控制规 律，可以让偏差信 号先通过一个设计 P作用：如果增大，系统响应快，对提高稳态精度 有益，但过大易引起过度的振荡，降低相对稳定性。 的控制器进行运算 ，这里的G（s）就 D作用：对改善动态性能和抑制超调有利，但过强， 是校正装置。 不仅不能改善动态性能，反而易引入噪声干扰。
能的改善 3.掌握PID控制器中P、I、D三参数对改善系统性能的不同作 用，以及PID校正对控制系统性能的改善
二.实验内容
1. 利用SIMULINK动态结构图对控制系统进行串联
超前校正实验。 2. 利用SIMULINK动态结构图对控制系统进行串联 滞后校正实验。 3. 利用SIMULINK动态结构图对控制系统进行串联 滞后-超前校正实验。 4. 利用SIMULINK动态结构图对控制系统进行串联 PID校正实验。
控制系统Simulink仿真PPT课件(MATLAB学习资料)
积分环节的幅值与 成反比，相角恒为-
时，幅相特性从虚轴
处出发，
沿负虚轴逐渐趋于坐标原点，程序如下：
g=tf([0,1],[1,0]); nichols(g); grid on
运行程序输出如图6-14曲线②所示。
。当
在Simulink中积分环节的使用如如图6-15所示。 运行仿真输出图形如图6-10所示。
• 频域法是基于频率特性或频率响应对系统进行分析和设计的一种图解 方法，故又称为频率响应法，频率法的优点较多，具体如下：
• 首先，只要求出系统的开环频率特性，就可以判断闭环系统是否稳定。 • 其次，由系统的频率特性所确定的频域指标与系统的时域指标之间存
在着一定的对应关系，而系统的频率特性又很容易和它的结构、参数 联系起来。因而可以根据频率特性曲线的形状去选择系统的结构和参 数，使之满足时域指标的要求。 • 此外，频率特性不但可由微分方程或传递函数求得，而且还可以用实 验方法求得。这对于某些难以用机理分析方法建立微分方程或传递函 数的元件(或系统)来说，具有重要的意义。因此，频率法得到了广泛 的应用，它也是经典控制理论中的重点内容。
• 2）由于对数可将乘除运算变成加减运算。当绘制由多个环节串联而成的系统的对数坐标图 时，只要将各环节对数坐标图的纵坐标相加、减即可，从而简化了画图的过程。
• 3）在对数坐标图上，所有典型环节的对数幅频特性乃至系统的对数幅频特性均可用分段直 线近似表示。这种近似具有相当的精确度。若对分段直线进行修正，即可得到精确的特性曲 线。
其频率特性为：
一阶复合微分环节幅相特性的实部为常数1，虚部与 成正比，如图5-26曲线①所示。 不稳定一阶复合微分环节的传递函数为：
其频率特性为：
一阶复合微分环节的奈奎斯特曲线图编 程如下： clc,clear,close all g=tf([1,1],[0 1]);
串级控制系统设计及仿真
目录1.串级控制的基本概念 (1)2.串级控制系统的原理 (1)3.串级控制系统的特点 (1)4.串级控制主、副控制器的设计 (4)5.Simulink仿真 (6)6.串级控制的改进 (8)附录 (10)参考文献 (11)1.串级控制的基本概念串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，控制系统内环为副控对象，外环为主控对象。
内环的作用是将外部扰动的影响在内环进行处理，而尽可能不使其波动到外环，这就加快了系统的快速性并提高个系统的品质，因此串级控制系统中选择内环时应考虑其响应速度要比外环快得多。
2.串级控制系统的原理串级控制在结构上形成的两个闭环，一个在闭环里面，成为内环、副环或副控回路，其控制器为副控制器，在控制中起“粗调”的作用；一个闭环在外面，成为外环、主环或主控回路，其控制器称为主控制器，在控制中起“细调”作用，最终被控量满足控制要求。
主控制器的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出则去控制被控对象。
图1为串级控制系统的结构图。
图1 串级控制系统的结构图 3.串级控制系统的特点（1） 副控制回路具有快速性，能够有效的克服进入副控回路的二次干扰。
图2为简化串级控制系统的结构图，其中)(2S G v 为二次干扰通道传递函数。
图2 串级控制系统简化结构图当二次干扰经扰动通道)(2S G v 进入副控回路后，首先影响副参数)(2S Y ，于是副控制器立即动作，力图削弱干扰对)(2S Y 的影响。
显然，干扰经副控回路的抑制后再进主控回路，对)(S Y 的影响将有较大的减弱。
按图2所示的串级系统，二次干扰)(2S V 到主参数)(S Y 的传递函数是)()()()()()(1)()()()(221122122S G S D S G S D S G S D S G S G S V S Y v ++= （3.1） 为了与一个简单单环控制系统相比，由图3可以得到单回路控制下干扰)(2S V 至主参数)(S Y 的传递函数是)()()(1)()()()(21122S G S G S D S G S G S V S Y v += （3.2）图3 单回路控制系统结构图比较（3.1）和（3.2），假定)()(1S D S D =,可以看到串级系统中的)()(2S V S Y 的分母中多了一项，即)()(22S G S D 。
第5-6章simulink仿真基础知识及应用精品PPT课件
在实际工程中，控制系统的结构往往很复杂，如果不 借助专用的系统建模软件，则很难准确地把一个控制系统 的复杂模型输入计算机，对其进行进一步的分析和仿真。 因此，熟悉掌握SIMULINK对于从事自动控制方面、信息 处理、金融财务等领域的分析、仿真和设计的工作来说是 非常重要的。
此模块用于非线性系统的频谱分析。模块产生标量或矢量 输出。
Transfer Fcn—分子分母形式的传递函数
传递函数是频域下常用来描述线性微分方程的一种方法，
通过引入laplace变换可以将原来的线性微分方程在零初
始条件下变化为‘代数’的形式，从而以多项式的比值形
式描述系统。传递函数的形式：
G(s)
num(s) den(s)
复制
按住鼠标右键拖住不放；或ctrl+c/v
第六章SIMULINK系统建模及仿真应用 6.1创建模型的步骤
•新建模型窗口 •将所需的模块方框图拖到模块窗口。 •设置模块参数系统仿真参数，并连接各个模块组成仿真 模型。 •连接各模块（最好按信号流动顺序连） •保存模型（保存为XXX.mdl文件） •开始系统仿真 •观察结果
功能 模型框图修改后的 一致化
打开库浏览器查窗 口
打开或隐藏模型资 源管理器
切换模型单双窗口 外形
显示当前子系统的 父系统
启动SIMULINK的 调试器
模型窗口的状态栏
Ready表示随时间可以开始仿真。100%表示编辑栏中模 型以100%比例显示。Ode45表示仿真所采用的积分算法 为Ode45。
模块的移动
按住shift拖动，是脱离连线的移动；不按shift拖动，会 与线保持连接状态移动。
改变模块效果
第六章 Simulink系统仿真原理
第六章Simulink系统仿真原理本书第二部分对使用Simulink进行动态系统模型建立、系统仿真及分析进行了详细的介绍。
对于一般的用户，使用这些知识便能够对大部分的动态系统进行减免、仿真与分析。
但是对于高级系统设计人员来说，熟悉Simulink对动态系统进行仿真的工作原理必定会对系统的设计、仿真与分析起到很好的作用。
前面所介绍的仅仅是Simulink仿真平台的使用方法，用户完全可以在较短的时间内熟练掌握。
本章将对Simulink系统仿真原理作简单的介绍，以使用户对Simulink进行系统仿真的核心有一个简单的了解。
这对系统分析与设计的作用不言而喻。
&6.1 Simulink求解器概念Simulink求解器是Simulink进行动态系统仿真的核心所在，因此欲掌握Simulink系统仿真原理，必须对Simulink的求解器有所了解。
在第5章中讲述动态系统的Simulink仿真技术时曾简单提及Simulink求解器的选择与使用，本节将对其作深入的介绍。
6.6.1 离散求解器第3章中简单介绍了动态系统的模型及其描述，其中指出，离散系统的动态行为一般可以由差分方程描述。
众所周知，离散系统的输入与输出仅在离散的时刻上取值，系统状态每隔固定的时间才更新一次；而Simulink 对离散系统的仿真核心是对离散系统差分方程的求解。
因此, Simulink 可以做到对离散系统的绝对精确（除去有限的数据截断误差）。
在对纯粹的离散系统进行仿真时，需要选择离散求解器对其进行求解。
用户只需选择Simulink 仿真参数设置对话框中的求解器选项卡中的discrete（no continuous states）选项，即没有连续状态的离散求解器，便可以对离散系统进行精确的求解与仿真。
读者可以参考第5章中相关内容了解离散系统求解器的其它设置，这里不再赘述。
6.1.2 连续求解器与离散系统不同，连续系统具有连续的输入与输出，并且系统中一般都存在着连续的状态设置。
过程控制：串级控制系统仿真
实验四 串级控制实验内容：SIMULINK 建模仿真 学生信息：自动化XXX 提交日期：20XX 年5月28日 报告内容： 串级控制一、实验目的1． 通过比较单回路控制系统与串级控制系统，进一步加深对串级控制的认识； 2． 掌握串级控制的参数整定方法。
二、实验设备1． 计算机1台2． MATLAB 7.X 软件1套。
三、实验步骤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：211,1001101o G s s ==++，121()101o o G s s =+，副回路干扰通道的传递函数为：221()201d G s s s =++。
1．用Simulink 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。
○1单回路控制系统方框图如下其中，PID C1为单回路PID 调节器，d1为一次扰动，取阶跃信号；d2为二次扰动，取阶跃信号；G o2为副对象，G o1为主对象；r 为系统输入，取阶跃信号；y 为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。
○2串级控制系统方框图如下其中，PID C1为主调节器，采用PD调节，PID C2为副调节器，采用P调节；q1为一次扰动，取阶跃信号；q2为二次扰动，取阶跃信号；G o2为副对象，G o1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号；y为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。
2．选用PID调节器，整定调节器的参数，并绘制相应的单位阶跃响应曲线。
进行调节器的参数整定，当输入比例系数为260，积分系数为0，微分系数为140时，系统阶跃响应达到比较满意的效果，记录系统阶跃响应图。
采用这套PID参数时，二次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下，记录系统的输出响应图。
采用这套PID参数时，一次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下，记录系统的输出响应图。
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，系统对一次和二次扰动的抑制效果不是很好。
串级控制系统
副控制器：“－” 主对象： “＋”
主控制器：“－”
例题
例2.拟定下图所示加热炉出口温度与炉膛温度 串级控制系统主、副控制器旳正反作用。
控制阀： “＋” 副对象： “＋” 副测量变送: “＋”
副控制器：“－” 主对象： “＋”
主控制器：“－”
二次扰动最大偏差 0.27
0.013
串级控制系统旳特点及应用范围
1、两个串接工作旳控制器构成旳双闭环控制系统， 其中主回路是定值控制，副回路是随动控制
2、副回路旳引入，大大克服了二次扰动对系统被调量旳影响 3、迅速克服进入副回路扰动旳影响，提升系统旳抗扰动能力 4、对负荷变化有一定旳自适应能力（适应操作条件旳变化） 副回路具有先调、粗调、快调旳特点；主回路具有后调、细 调、慢调旳特点，并对于副回路没有完全克服掉旳干扰影响 能彻底加以克服。
主控-串级切换旳串级控制方案
注意： 串级与主控直接切换旳条件:构成旳控制系统必须是负反馈控制系统 结论：
只有当副控制器为反作用时才干由串级与主控之间直接切换。 假如副控制器为正作用，必须在向主控切换旳同步变化主控 制器旳正反作用。
串级系统旳投运
先副后主 确保无扰动切换
阅读教材
将主、副控制器旳切换开关都置于手动；
有什么样旳影响？
课堂提问
采用PI控制，Ti调小时为保持系统稳定性，百 分比度应该怎样变化？
工程整定措施有哪几种？主要环节是什么？ 系统旳投运是使执行器从手动平稳过渡到自动
状态，该说法对不对？
主要内容
了解串级控制系统旳概念与特点； 掌握串级控制系统旳方框图表达法； 结合控制原理，掌握串级系统旳分析措施； 了解串级控制系统旳设计原则； 掌握串级控制系统旳参数整定措施；
串级控制系统ppt课件
单回路系统的积分饱和现象举例
单回路PID控制系统（无抗积分饱和措施） (参见模型…/CascadePID/SinglePidwithInteSatur.mdl)
单回路系统的防积分饱和
ysp(t) e(s)
＋
KC ＋
－
＋
d(t)
v
广义
＋ ＋
对象
y(t)
1 TI s +1
讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限 时，自动切除积分作用。
串级回
路的等 R1
效系统
＋ －
D2
0.2 5s +1
s +1
D1
u Kc
0.8
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
s +1
20s + 1
y1
原单
R1
回路
＋
D2
D1
u
1
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
Kc
5s +1
20s + 1
y1
系统
－
副回路对主对象开环特性 的影响举例
串级控制系统及simulink仿真
2.温度控制算法实现 温度控制算法程序主要包括主程序和中断控制程序，其中主程序包括数 据采集子程序、LED显示子程序、按键程序和PID控制子பைடு நூலகம்序等。 其中，PID控制子程序负责调解电机的转速，保持温度稳定在用户的设定 值，它的温度控制流程图如图所示
图2.温度控制流程图
*
下图分别为scope1和scope2所显示的仿真图
——电子与通信工程 余勇
1.硬件电路设计 速热式饮水机控制器选用STC 1 5F204单片机作为处理器， 该单片机由宏晶公司设计生产，是一款以51为内核的8位高速低 耗8051单片机，拥有8路高速l0位A／D转换，大大简化了本控制 器硬件电路的设计。硬件电路包括功率电路、显示电路、数据 采集电路、键盘电路和加热控制电路。
下图中a）为常规PID算法仿真图，b）为本文PID算法仿真图。
a）常规PID算法
b）本文PID算法
总结： 从仿真结果可以看出，对于给定的控制对象，本文所设计的PID温度控制 器能更快地得到稳定的出水温度，较常规的单反馈量PID控制算法，能更有效 地实现快速稳定地控制速热式饮水机的加热工作。
串级控制系统
假定燃料的压力波动是主要干扰，发现它到燃烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有一些次要干扰，例如燃料热值的变化、助燃风流量的改变以及排烟机抽力的波动等等（如图6-2中用D2表示），都是首先进人燃烧室。人们会想，能否通过控制燃烧室温度 2的方法来达到稳定烧成带的温度呢？于是就出现了图6-3所示的以燃烧室温度 2为被控变量的单回路控制系统。
1. 只存在二次干扰 假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。由于它进入副回路，所压力升高，这时尽管控制阀门开度没变，可燃料的流量增大了，首先将引起燃烧室温度2升高，经副温度检测变送器后，副控制器接受的测量值增大。由于燃料流量的变化，并不能立即引起烧成带温度T1的变化。所以此时主控制器的输出暂时还没有变化，因此副控制器处于定值控制状态。根据副控制器的“反”作用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。
但由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化。 因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了。 也就是说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。
串级控制系统仿真实验
某串级系统的方框图如图所示，已知各环节的传递函数如下： 对象特性：，)13)(130(1)(1++=s s s G o ，)110()1(1)(22++=s s s G o 调节器：， )11()(11sT K s G i c c +=，22)(c c K s G = 调节阀： 1)(==v v K s G 变送器： 121==m m G G（1）先用稳定边界法对副调节器进行整定，求出2c K ；然后对主调节器整定，求出主调节器的参数1c K 、i T 。
（2）如果主调也用比例作用，求二类扰动D 2和一类扰动D 1在单位阶跃时主被控量的静差，并进行分析。
（3）若采用简单控制系统，已得调节器的比例增益4.5=c K ，再分别求出二类扰动D 2和一类扰动D 1在单位阶跃时的静差，且与（2）比较分析。
过程控制系统设计仿真实验报告实验名称：串级控制系统仿真实验姓名：学号：班级：一、实验目的1. 掌握串级控制系统的组成和原理2. 掌握串级控制系统两步法PID 参数整定过程。
3. 理解掌握串级控制系统的动态特性和克服扰动能力。
二、实验步骤（1）a:先用稳定边界法对副调节器进行整定，求出2c K =1/P2=12.1①使系统处于串级运行状态，主，副调节器均为比例作用的条件下，先将主调节器的比例度 P1置于100%刻度上，然后有大到小逐渐降低副调节器的比例度P2，直到系统对输入的阶跃 响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数Pm=0.0412;②根据所记录的Pm ，用195页的经验公式计算调节器的整定参数:P2=2Pm=0.0824。
b:然后对主调节器整定，求出主调节器的参数1c K =1/P1=9.9、iT =9.86。
①在副调节器的比例度等于2Pm 的条件下，逐步降低主调节器的比例度P1,直到同样得到临 界振荡，记下这时的比例放大系数Pm=0.0459和临界振荡周期Tm=11.6。
②根据所记录的Pm 和Tm ，用195页的经验公式计算调节器的整定参数： P1=2.2Pm=0.10098,iT =0.85Tm=9.86。
论控制系统设计的SIMULINK仿真实验.pptx
实验四 控制系统设计的SIMULINK仿真实验
一. 实验目的：
1.学习控制系统工具箱Simulink; 2.建立SIMULINK动态结构图对控制系统进行串联超前校正实验； 3.建立SIMULINK动态结构图对控制系统进行串联滞后校正实验。
2
二.实验原理
串联校正装置
R(s)
C(s)
Gc (s)
。2020年11月13日星期五上午10时5分58秒10:05:5820.11.13
• 15、会当凌绝顶，一览众山小。2020年11月上午10时5分20.11.1310:05November 13, 2020
• 16、如果一个人不知道他要驶向哪头，那么任何风都不是顺风。2020年11月13日星期五10时5分58秒10:05:5813 November 2020
10
(4)打开Simulinks的Sinks模块库添加Scope模块, 并按如图连线，双击Scope模块，仿真曲线如图。
观察响应曲线，读取性能指标参数。
11
1. 串联超前校正实验
R(s)
10
C(s)
1.设控制系统如图所示：
- s(0.8s 1)
加串联超前校正装置为
Gc
(s)
(0.4s) (0.1s 1)
•
T H E E N D 17、一个人如果不到最高峰，他就没有片刻的安宁，他也就不会感到生命的恬静和光荣。上午10时5分58秒上午10时5分10:05:5820.11.13
谢谢观看
G1=zpk(z2,p2,k2);
bode(G1);
14
2. 串联滞后校正实验
① 设控制系统如图所示：
R(s)
20
C(s)
第六章 基于Simulink的控制系统仿真
A
20
时域：一首钢琴曲的声音波形是时域表达。
频域：钢琴谱则是频域表达。
傅里叶变换就是把一个信号，分解成无数的正弦波（或者
余弦波）信号。也就是说，用无数的正弦波，可以合成任
何你所需要的信号。
A
21
1） 拉普拉斯变换的定义
设函数f (t ) 若满足：
（1）当 t 0时，f(t)0
（2）当t 0时，实函数 f (t )的积分
A
28
28
5、幂函数：f(t)=tn
F (s)L [tn]0 tnesd t tsn n !1
6、指数函数： f(t)=eat (a为常数)
F(s)L [ea]t e(as)td t 1
0
sa
原函数 象函数
原函数 象函数
A
29
7、正弦函数和余弦函数
L [ s int] s inte s td t 1 ( e j e j ) e s td t
A
15
举例
下面的微分方程很难求解
y5y6y6
通过拉普拉斯变换，对微分方程两端做拉普拉斯变化，得到如
下的多项式形式，就很好求解了：
s2y5sy6y6 s
进一步转变为
这里 s 没有明确物理含 义，仅是一个数学处理。
y s ( s 2 6 5 s 6 ) s ( s 2 6 )s ( 3 ) 1 s s 3 2 s 2 3 1 3 e 2 t 2 e 3 t
0
02 j
s 2 2
L [ c o st] 0 c o ste s td t 0 1 2 ( e j e j ) e s td t s 2 s2
A
30
常用函数拉氏变换表
A
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6.3.2 主、副控制器的设计
主、副控制器的设计主要包括三个问题： 1．主、副控制器的控制规律选择 一般说来主变量是控制的主要参数，其状态是生产工艺的主要指标，而只有对主变量控制要 求较高的条件下才考虑采用串级控制方式。 至于副控制器，如果副被控量的控制范围在工艺上要求不是太严格，那么副控制器就可以只 采用P控制。 从另一方面来说，副控制器不必要的积分作用引入，会使副回路的谐振峰值加大，谐振频率 降低，从而加大了主、副回路之间共振的可能。 2．主、副控制器的正反作用的选择 控制器正反作用的选择原则和单回路系统没有什么原则区别，先考虑副控制的正反作用选择， 其方式同单回路控制，然后考虑主调，考虑主回路时需确定副给定和其输出的“正反作用”。 此处还有一个问题应予以注意，在某些场合生产工艺要求系统既可以按串级方式运行，又可 以按以主调节器为控制器的单回路方式运行，这时应仔细核对主调的正反作用是否需加以改 变。 一般来说，如果副调节是反作用的，则主调在单纯使用时其正反作用无须改变。相反，如果 副调节是正作用的，则主调单纯使用时其正反作用方向就需要改变。 3．抗积分饱和的问题 如果副控制器采用比例控制，则主控制器的抗积分饱和与单回路控制时无任何区别，可以利 用带外反馈的间歇单元表来解决问题。如果副控制器也采用PI控制，副控制的积分饱和限制 同单回路控制器，而主控制器就复杂些，主要有两重原因： （1）积分饱和的影响更为严重。 （2）在串级系统中，不管原来原料油温度的偏差是否很大，因为某种原因副控制器进入积分 饱和，这时副控制器的输出不再变化，相当于系统开环运行，主控制器也会进入积分饱和。
6.1.1 基本概念
6.1.2 基本组成
串级控制系统的结构特点： 1．由两个或两个以上的控制器串 联而成，一个控制器的输入是另一 个控制器的设定。 2．由两个或两个以上的控制器、 相应数量的检测变送器和一个执行 器组成。 3．主回路是恒值控制系统，对主 控制器的输出而言，副回路是随动 系统，对二次扰动而言，副回路是 恒值控制系统。
《过程控制工程及仿真－－基于 MATLAB/Simulink》 电子工业出版社 出版 2009.4
作者：郭阳宽 王正林 联系邮箱：wa_2003@
第6章 串级控制系统
6.1 串级控制系统基础知识 6.2 串级控制系统性能分析 6.3 串级控制系统设计 6.4 串级控制参数整定 6.5 综合仿真实例 6.6 本章小结 习题与思考
6.2.2 动态性能
1．副回路显著减小了副对象的时间常数 由于闭环控制的影响，副回路的等效时间常数 T2较之副对象时的时间常数缩小 1 为 1 K K K K ，从而进一步错开了与主对象的时间常数（一般较大）之间的距 离。。 副回路的等效时间常数减小，相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节， 使得系统的反应速度加快，控制更为及时。等效对象的放大倍数的减小，可以通过 增加主控制器的增益来加以补偿。因此，副回路的等效时间常数缩小，可使系统的 控制质量得到提高。 2．副回路可以减小副对象的相位滞后 由于副对象的相位滞后减小了，相应就提高了整个系统的稳定性
串级控制也存在如下一些不足： 1．只有当中间变量能够被检测 出来时，才可能采用串级控制， 但许多过程在结构上是不容易以 这种方式加以分割的。 2．串级控制系统比单回路控制 系统需要更多的仪表。 3．串级控制系统的投放和整定 比单回路控制系统要复杂一些。
6.2 串级控制系统性能分析
与单回路控制相比，串级控制 增加了副控制回路，使控制 系统性能得到改善，串级控 制系统的性能一般可以从以 下四个方面进行分析： 系统的抗扰性能 动态性能 工作频率 自适应能力
6.3 串级控制பைடு நூலகம்统设计
6.3.1 副回路选择
1．从抗干扰方面考虑 从抗干扰角度考虑，副回路选择应遵循以下一些原 则： （1）副回路应包含尽可能多的主要扰动。 （2）主、副回路的时间常数应匹配。 2．从防止主、副回路产生共振出发 主副回路的时间常数应保持合理的比配关系。选择 副回路的其他可以考虑的因素是从改善系统的动态 性能和提高系统的工作频率出发，则副回路包含的 时间常数稍大一些效果更好。若希望系统对于非线 性的影响有一定的适应能力，则应把相关的非线性 包含在副回路之中。
6.2.1 抗扰性能
对串级控制系统而言，它 对二次扰动的抑制能力比 对一次扰动的抑制能力更 强，而且在系统的其他环 节特性不变的情况下，副 控制器的增益越大，则副 回路的抗干扰能力越强， 这点在设计串级控制系统 时应该加以注意。 串级控制系统对动态过程 的改善更为明显，一般认 为对二次扰动的最大动态 偏差可以减小几十倍，对 一次扰动的最大动态偏差 也可以减小几倍。
6.1.3 串级控制的特点
串级控制的主要优点可概括如 下： 1．副回路的内部干扰，通 常在它影响主被调量之前 就已经被副控制器所控制 了。 2．副对象的相位滞后由于 存在副回路而显著减小， 因而改善了主回路的响应 速度。 3．副对象增益变化的影响 在副回路内部被克服。 4．副回路可按主回路的需 要进行精确的控制。
习题与思考
6.4.1 逐次逼近法
6.4.2 两步法
6.4.3 一步法
6.5 综合仿真实例
6.5.1 串级与单回路控制对比仿真
6.5.2 串级控制的参数整定仿真
6.5.3 串级控制系统设计仿真
5.4 本章小结
本章主要讲述串级控制系统的基本理论、设计方法以及仿真方 法： 1．串级控制系统的基本理论 主要讲述了串级控制系统的结构、主副回路的特点等基础知 识。 2．串级控制系统的设计 主要讲述了串级控制系统的主、副回路的设计思想和方法、 主副回路的参数整定流程和方法。 3．串级控制系统的仿真 对串级控制的特点、参数整定方法以及串级控制系统的设计 进行了详尽的仿真分析，深化对串级控制的理解。
p2 v o2 m2
6.2.3 工作频率
在相同阻尼比的条件下，串级控制系统的工作频率高于单回路系统，系统的工作频 率提高，过渡过程也就缩短了，因而控制质量得到改善，而且，副回路控制器的比 例带越小，这种改善越明显。 当主、副对象特性一定时，副控制器的增益越大，串级控制系统的工作频率提高的 越明显，当副控制器的增益不变时，随着的增大，串级控制系统的工作频率也越高。
6.2.4 自适应能力
当副控制器的增益足够大时，副回路的特性主要由反馈检测所决定，而与副对象的 增益无关，因此，串级控制系统具有一定的自适应能力，只要反馈检测装置的特性 是线性的，就可以大大削弱包括调节阀在内的副对象的非线性特性的影响，当然， 这种自适应能力是有一定限度的。
串级控制系统的性能可归纳为： 1．可以显著提高系统对二次扰动的抑制能力，甚至二次扰动在对主被控量尚未产生 明显影响时就被副回路克服了。由于副回路调节作用的加快，整个系统的调节作用 也加快了，对一次扰动的抑制能力也提高了。 2．提高了系统的动态性能，由于副回路显著改善了包括控制阀在内的副对象的特性， 减小其时间常数和相位滞后，使得整个系统的动态性能有明显的改善。 3．提高了系统的工作频率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例带可以更 窄，从而提高了系统的工作频率。 4．有一定的自适应能力，在副回路作用下，包括控制阀在内的副对象在操作条件和 负荷变化时，其特性变化对系统的影响显著地削弱了，需要注意的是当副回路是流 量环节时，流量检测的线性化。
内容提要
本章描述串级控制的基本概念，介绍串 级控制的基本特点、串级控制系统的设 计以及串级控制系统控制器参数整定等 基础知识，并通过仿真实例讲述串级控 制系统的特点、设计及整定。 通过本章，读者对串级控制的特点、串 级控制系统的功能有较为全面的认识， 并能通过仿真深化对串级控制的理解。
6.1 串级控制系统概述
6.4 串级控制参数整定
串级控制系统中主副两个回路是彼此互相影响的，而 副控制器的整定对主控制器的影响是一目了然的，因 为副回路的特性本身就是主回路广义对象的一个组成 部分。主回路的特性对副回路的影响可以这么来考虑， 即主控制器的输出本身就是副回路的设定值，当然对 副回路的响应有影响。 如果主回路的工作频率相差很大，例如十倍以上，则 对副回路而言在其控制过程中可以近似认为主回路还 没有来得及反应，可以忽略主回路对副回路的影响， 则控制器参数整定可以按由内而外的原则，分别独立 按单回路系统控制器的参数整定方法整定。 如果必须考虑主副回路之间的影响，则通常可以采用 三种方法：逐次逼近法、两步法和一步法，