过程控制实验报告

过程控制系统Matlab/Simulink 仿真实验

实验一过程控制系统建模 (1)

实验二PID控制 (10)

实验三串级控制 (27)

实验四比值控制 (35)

实验五解耦控制系统 (40)

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Simulink 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。 （1） 无自平衡能力的单容对象特性： 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)(-=，在Simulink 中建立模型如下

单位阶跃响应曲线如下：

（2） 有自平衡能力的单容对象特性： 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

)(-+=，在Simulink 中建立模型如下：

单位阶跃响应曲线如下：

（3） 有相互影响的多容对象的动态特性： 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，在Simulink 中建立模型如下：

单位阶跃响应曲线如下：

（4） 无相互影响的多容对象的动态特性： 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），在Simulink 中建立模型如下

单位阶跃响应曲线如下

作业题目二：

某二阶系统的模型为2

() 22

2n

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，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； （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。 （3）2n ϖ=，ζ为0.1时的单位阶跃响应曲线：

ϖ=，ζ为1.0时的单位阶跃响应曲线：2

n

（2）0.8ζ=，n ϖ为2时的单位阶跃响应曲线：

0.8ζ=，n ϖ为8时的单位阶跃响应曲线：

0.8ζ=，n ϖ为10时的单位阶跃响应曲线：

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Simulink原理图如下

2.双击原理图中的PID模块，出现参数设定对话框如下

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，调整比例增益，观察响应曲线的变化，分析系统性能的变化：

P=0.5时的响应曲线如下：

P=2时的响应曲线如下：

P=5时的响应曲线如下：

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. 将控制器的功能改为比例微分控制，调整参数，观测系统的响应曲线，分析比例微分的作用。

P=2，D=0.1时的相应曲线如下：

P=2，D=0.5时的相应曲线如下：

P=2，D=2时的相应曲线如下：

P=2，D=5时的相应曲线如下：

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. 将控制器的功能改为比例积分控制，调整参数，观测系统的响应曲线，分析比例积分的作用。

P=2，I=0.1时的响应曲线如下：

P=2，I=0.5时的响应曲线如下：

P=2，I=1.5时的响应曲线如下：

由以上五组响应曲线可以看出，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. 将控制器的功能改为比例积分微分控制，调整参数，观测系统的响应曲线，分析比例积分微分的作用。

P=2，I=0.5，D=0.2的响应曲线如下

P=2，I=0.5，D=3的响应曲线如下

P=2，I=0.1，D=0.5的响应曲线如下

P=2，I=1，D=0.5的响应曲线如下

P=2，I=3，D=0.5的响应曲线如下

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，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。