过程控制实验报告讲解.docx

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过程控制实验报告讲解

过程控制

课程实验报告

实验一：

串级系统的仿真控制

1.实验要求：

假设一串级控制系统的结构框图为：

其中：

将传递函数带入并绘制串级控制系统的Simulink结构图：

2.执行程序：

clc;%清除命令窗口

clearall;%清除所有记录

[a,b,c,d]=linmod（'chuanji'）;%加载simulink模型

sys=ss（a,b,c,d）;%建立状态空间表达式

figure

（1）;%绘制图形1

step（sys）;%获得阶跃响应曲线

holdon%绘图保持

[y,t]=step（sys）;%y为纵轴，t为横轴的阶跃曲线

[mp,tf]=max（y）;%返回峰值及峰值时间

cs=length（t）;%获得稳态时间

yss=y（cs）;%获得稳态值

sigma=100*（mp-yss）/yss;%计算超调量

tp=t（tf）;%计算峰值时间

%计算调节时间

i=cs+1;

n=0;

whilen==0,

i=i-1;

ifi==1

n=1;

elseify（i）>1.05*yss%判断响应值是否大于稳态值

%的1.05倍

n=1;

end

end

t1=t（i）;

cs=length（t）;

j=cs+1;

n=0;

whilen==0,

j=j-1;

ifj==1

n=1;

elseify（i）<0.95*yss%判断响应值是否小于稳态值的0.95倍

n=1;

end

end

t2=t（j）;

Ift2

ift1>t2,

ts=t1;

end

elseift2>tp,

ift2

ts=t2;

else

ts=t1;

end

end

sigma=sigma（:

:

1）%显示超调量

tp=tp（:

:

1）%显示峰值时间

ts%显示调节时间

3.实验结果及性能指标

（1）.实验结果

sigma=

32.3442

tp=

58.4907

ts=

90.9393

（2）.与单回路系统的对比

Simulink仿真图

性能指标

sigma=

73.4939

tp=

69.2071

ts=

820.1644

4.实验结论：

1.（从回路的个数分析）由于串级控制系统是一个双回路系统，，因此能迅速克服进入副回路的干扰，从某个角度讲，副回路起到了快速“粗调”作用，主回路则担当进一步“细调”的功能，所以应设法让主要扰动的进入点位于副回路内。

2.能改善被控对象的特性，提高系统克服干扰的能力。

由于副回路等效被控对象的时间常数比副对象的时间常数小很多，因而由于副回路的引入而使对象的动态特性有了很大的改善，有利于提高系统克服干扰的能力。

3.提高了系统的控制精度。

实验二：

专家PID仿真控制

1.实验要求：

假设一专家控制系统的传递函数为：

G（s）=

采用专家系统PID控制，输入信号为阶跃信号，取采样时间为1ms，用MATLAB仿真模拟此模型的阶跃响应过程。

2.专家PID控制过程分析：

专家控制的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式利用这些知识来设计控制器。

利用专家经验来设计PID参数便构成了专家PID控制。

（1）首先通过传递函数离散取样，采样时间间隔为1ms。

（2）然后取PID初始值：

kp=0.6;ki=0.03;kd=0.01;（需要根据传递函数调整）

（3）二阶系统阶跃过程分析如下，取阶跃信号

：

令e（k）表示离散化的当前采样时刻的误差值，e（k-1）、e（k-2）、分别表示前一个和前两个采样时刻的误差值，则有

根据误差及其变化，可设计专家PID控制器，该控制器可分为5种情况设计：

Ⅰ：

时，实施开环控制。

Ⅱ：

当

时由控制器实施较强控制作用，其输出可以为

当

时控制器实施一般的控制作用，其输出为

Ⅲ：

当

时，控制器输出不变。

Ⅳ：

当

时，实施较强控制作用，

当

时，实施较小控制作用，

Ⅴ：

当

时，此时加入积分，减小稳态误差。

式中，

—————误差e的第k个极值；

—-分别为第k次和第k-1次控制器输出；

=2——————增益放大系数，

；

=0.6—————增益抑制系数，

；

——设定的误差界限，

，

其中

可取0.8，0.4，0.2，0.01四值；

=0.001—————任意小正实数。

（4）最后写出线性模型及当前采样时刻的误差值：

（5）循环以上（3）—（4）步，循环次数为1000次。

（6）画出专家PID控制阶跃响应曲线图（a）和误差响应曲线（b）。

3.实验程序：

%ExpertPIDController

clearall;%清除所有记录

closeall;%关闭所有

ts=0.001;%采样时间ts=0.001

sys=tf（5.235e5,[1,87.35,1.047e4,91]）;%建立连续系统传递函数模型

dsys=c2d（sys,ts,'z'）;%连续系统转换为离散系统模型

[num,den]=tfdata（dsys,'v'）;%返回分数形式的传递函数

u_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0;%设定输入初始值

y_1=0.0;y_2=0.0;y_3=0.0;%设定输出初始值

x=[0,0,0];%设置一个三维变量

x2_1=0;%X2=0

kp=0.1;%设定比例系数

ki=0.02;%设定积分系数

kd=0.01;%设定微分系数

k1=2;

k2=0.6;

e=0.001;

M2=0.05;

error_1=0;

fork=1:

1000;%for循环执行1000次

time（k）=k*ts;%获得采样序列

rin（k）=1.0;%输入阶跃信号

u（k）=kp*x

（1）+kd*x

（2）+kd*x（3）;%离散系统PID规律算法

%以下为专家控制器的规则

ifabs（x

（1））>0.8%如果

u（k）=0.45;

elseifabs（x

（1））>0.40

u（k）=0.40;

elseifabs（x

（1））>0.20

u（k）=0.12;

elseifabs（x

（1））>0.01

u（k）=0.10;

end

if（x

（1）*x

（2）>0）|（x

（2）==0）%Therule2

ifabs（x

（1））>=M2

u（k）=u_1+k1*kp*x

（1）;

else

u（k）=u_1+0.4*kp*x

（1）;

end

end

if（x

（1）*x

（2）<0&x

（2）*x2_1>0）|（x

（1）==0）

u（k）=u（k）;

end

if（x

（1）*x

（2）<0）&（x

（2）*x2_1<0）

ifabs（x

（1））>M2

u（k）=u_1+k1*kp*error_1;

else

u（k）=u_1+k2*kp*error_1;

end

end

ifabs（x

（1））<=e%IntegrationseparationPIcontrol

u（k）=0.5*x

（1）+0.01*x（3）;

end

ifu（k）>=10%Restrictingtheoutputofcontroller

u（k）=10;

end

ifu（k）<=-10

u（k）=-10;

end

%Linearmodel

yout（k）=-den

（2）*y_1-den（3）*y_2-den（4）*y_3+num

（1）*u（k）+num

（2）*u_1+num（3）*u_2+num（4）*u_3;

error（k）=rin（k）-yout（k）;

%------returnofPIDparamters---------

u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u（k）;

y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout（k）;

x

（1）=error（k）;%calculatingP

x2_1=x

（2）;

x

（2）=（error（k）-error_1）/ts;%calculatingD

x（3）=x（3）+error（k）*ts;%calculatingI

error_1=error（k）;

end

figure

（1）;%绘制图1

plot（time,rin,'b',time,yout,'r'）;%输出蓝色曲线稳态值红色为响应曲线

xlabel（'time（s）'）;%x轴为时间轴

ylabel（'rin,yout'）;%y轴为响应值

figure

（2）;%绘制图2

plot（time,rin-yout,'r'）;%输出稳态误差红色曲线

xlabel（'time（s）'）;%x轴为时间轴

ylabel（'error'）;%y轴为稳态误差

参数调节过程及实验结果：

Kp=0.8ki=0kd=0

专家PID控制阶跃响应曲线图：

误差响应曲线图：

Kp=0.3ki=0kd=0

专家PID控制阶跃响应曲线图：

误差响应曲线图：

Kp=0.1ki=0kd=0

专家PID控制阶跃响应曲线图：

误差响应曲线图：

Kp=0.1ki=0.04kd=0

专家PID控制阶跃响应曲线图：

误差响应曲线图：

Kp=0.1ki=0.04kd=0.9

误差响应曲线图：

专家PID控制阶跃响应曲线图：

Kp=0.1ki=0.04kd=0.5

误差响应曲线图：

专家PID控制阶跃响应曲线图：

Kp=0.1ki=0.02kd=0.01

误差响应曲线图：

专家PID控制阶跃响应曲线图：

4.实验结论：

比例系数：

作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。

当系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少误差。

越大，系统响应越快，但将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此的值不能取得过大；但如果取值过小，过小会降低调节精度，是系统响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静、动态特性变坏。

积分系数：

作用在于消除系统的稳态误差，提高无差度。

越大积分速度越快，系统静差消除越快，但过大在响应过程初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程出现较大超调，使动态性能变差；过小则会使积分作用变弱，使系统的静差难以消除，过渡时间加长，不能尽快达到稳定状态，影响系统的调节精度和动态特性。

微分系数：

作用在于改善系统的动态特性，反映系统偏差信号的变化率并预见偏差变化的趋势，能产生超前的控制作用，使系统的超调降低，增加系统稳定性。

但不能过大，过大则会使响应过程提前制动和延长系统调节时间，而且还会使系统的抗干扰性变差。