过程控制系统实验指导书.docx

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过程控制系统实验指导书

过程控制系统

实验指导书

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。

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=380.7692

Td=（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：

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++1

（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：

（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

（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。