过程控制系统的MATLAB实验.docx
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过程控制系统的MATLAB实验.docx
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过程控制系统的MATLAB实验
过程控制系统的MATLAB实验
过程控制系统的MATLAB实验
————用MATLAB中的simulink模块构建控制系统
1、建立系统数学模型
给系统加入一个输入(单位阶跃)扰动,测量其输出变化曲线。
按照反应曲线法(书中77页、33页)确定对应于输出曲线的传递函数。
Ko=5/1=5
tao=3
y=5*.0632=3.16对应横坐标T+tao=8.461
To=5.461
Go(s)=5e-3s/5.461s+1
2、建立一个简单控制系统,测量控制系统的过渡过程及品质指标
学会使用simulink模块,根据要求能够建立仿真系统并进行系统仿真。
FC
FT
图1.流量控制系统
设一流量控制系统如图所示,对象的传递函数为:
。
采用PID控制器。
C=1
第一峰值=1.527第二峰值=1.172
B=1.527-1=0.527B`=1.172-1=0.172
衰减比n=B/B`
超调亮σ=B/C
余差e=r-C=1-1=0
过渡过程时间Ts=1.95s
1、采用PID控制器,比例作用(proportional)为10,积分作用(integral)为5和微分作用(derivative)为0.3。
C=1
第一峰值=1.362第二峰值=1.053
B=1.362-1=0.362B`=1.053-1=0.053
衰减比n=B/B`
超调亮σ=B/C
余差e=r-C=1-1=0
过渡过程时间Ts=1.35s
观察并记录:
在②、③和④的情况下的衰减比,超调量,余差,过渡过程时间。
2、采用P控制器,改变比例作用(proportional)从0.1到3。
观察输出曲线的变化,用根轨迹理论说明为什么?
Kp=0.1
Kp=0.5
Kp=1.3
Kp=2
Kp=3
3、采用P、PI和PD控制器验证参数变化对输出的影响
设一流量控制系统如图1所示,对象的传递函数为:
。
1)、采用P控制器,令增益分别为:
10;30;60,观察输出变化。
①、超调量;②、误差;③、震荡情况。
Kp=10
C=0.789
第一峰值B=0.817
超调量=B/C=
误差=1-C=
震荡情况:
ts=0.508
Kp=30
C=0.918
第一峰值B=1.100
超调量=B/C=
误差=1-C=
震荡情况:
ts=0.53s,
Kp=60
C=0.958
第一峰值B=1.276
超调量=B/C=
误差=1-C=
震荡情况:
ts=0.581s
2)、采用I控制器,令积分强度分别为:
1;20;30,观察输出变化。
①、超调量;②、误差;③、震荡情况。
Ki=1
C=1
第一峰值B=1.021
超调量=B/C=
误差=1-C=0
震荡情况:
ts=5.48s
Ki=20
C=1
第一峰值B=1.860
超调量=B/C=
误差=1-C=
震荡情况:
ts=42.38s
Ki=30
C=∞
第一峰值B=
超调量=B/C=
误差=1-C=
震荡情况:
ts=s
3)、采用PD控制器,令增益为:
200,微分强度分别为:
1;5;10,观察输出变化。
①、超调量;②、误差;③、震荡情况。
Kd=1
C=0.987
第一峰值B=1.430
超调量=B/C=
误差=1-C=
震荡情况:
ts=0.430s
Kd=5
C=0.987
第一峰值B=1.127
超调量=B/C=
误差=1-C=
震荡情况:
ts=0.2s
Kd=10
C=0.987
第一峰值B=
超调量=B/C=
误差=1-C=
震荡情况:
不震荡
4、验证在不同控制参数下的输出变化
观察在不同的P、I和D数值下的输出变化(通过观察,了解在数值增加或减少过程中,系统输出是:
震荡或不震荡;误差变大或减小;超调量变大或减小;过渡过程时间变长或缩短等)。
以上实验为第一次实验报告内容。
下面的实验为第二次实验报告内容。
5、PID控制器参数的工程整定
理想PID
或
在MATLAB的simulink模块中的PID控制器参数分别为:
或
1、比例作用(proportional)强度是:
(为比例度);
2、积分作用(integral)强度是:
(为积分时间);
3、微分作用(derivative)强度是:
(为微分时间)。
请用函数作为对象的传递函数建立一个反馈控制系统,采用工程整定法中的临界比例度法和衰减曲线法整定控制器参数,使输出曲线满足4:
1的衰减比。
要求确定在控制规律为:
P、PI、PD和PID时的控制器参数。
(参考教材中76页表4-4和77页表4-5)
临界比例度法:
临界比例度δk=1/K=1/7.7=0.130
临界振荡周期Tk=42.18-20.84=21.34s
P控制器:
比例度δ=2δk=0.260
PI控制器:
比例度δ=2.2δk=0.286积分时间Ti=0.85Tk=18.139
PD控制器:
比例度δ=1.8δk=0.5148微分时间Td=0.1Tk=2.134
PID控制器:
比例度δ=1.7δk=0.221
积分时间Td=0.5Tk=10.67
微分时间Ti=0.125Tk=2.6675
衰减曲线法
K=3.33
比例度δs=1/k=0.3
衰减振荡周期Ts=42.168-15.17=2.998
P控制器:
比例度δ=δs=0.3
PI控制器:
比例度δ=1.2δs=0.36积分时间Ti=0.5Ts=1.499
PID控制器:
比例度δ=0.8δs=0.24
积分时间Ti=0.3Tk=0.8994
微分时间Td=0.1Tk=0.2998
6、设计一个控制系统
用教材中80页的4-7题,建立一个控制系统进行仿真。
设对象的传递函数为:
,变送器的增益为:
2,控制阀的增益为:
3。
采用PI控制器,调整控制器参数使输出曲线达到4:
1的衰减震荡。
所得比例强度为26,积分强度为10
衰减比n=(0.7469-0.5)/(0.5621-0.5)=3.97
调整过程:
K=50I=10n=0.293/0.1212=2.4
K=29I=10n=0.2543/0.0714=3.56
K=20I=10n=0.229/0.0475=4.8
K=25I=10n=0.2442/0.0588=4.15
K=26I=10n=0.2469/0.0621=3.97
7、设计一个串级控制系统并进行控制器参数整定
设有一个蒸汽加热器如图所示,主要扰动为进料流量,其变化幅度较大且频繁,设计合理控制系统,并整定控制器参数,使输出曲线满足4:
1的衰减比。
进料
蒸汽
物料出口
蒸汽出口
设蒸汽加热器的传递函数为:
进料流量的传递函数为:
设蒸汽流量的传递函数为e-s/(5s+1)
蒸汽流量到出口温度的传递函数为
8、设计一个比值控制系统P.118
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