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 ............................................................................................................................. 2 实验三 串级控制 ............................................................................................................................. 6 实验四 比值控制 ........................................................................................................................... 13 实验五 解耦控制系统 ................................................................................................................... 19
实验一 过程控制系统建模
指导内容：（略）
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。
作业题目二：
某二阶系统的模型为G(s)??2s2?2??s??2nnn ，二阶系统的性能主要取决于?，?n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）?n?2不变时，?分别为0.1, 0.8, 1.0, 2.0时的单位阶跃响应曲线； （2）??0.8不变时，?n分别为2, 5, 8, 10时的单位阶跃响应曲线。
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实验二 PID控制
指导内容：
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，它根据被控过程的特征确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类： （1） 理论计算整定法 主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
（2） 工程整定方法
主要有Ziegler-Nichols整定法、临界比例度法、衰减曲线法。这三种方法各有特点，其共同点都是通过实验，然后按照工程实验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
工程整定法的基本特点是：不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定；方法简单，计算简便，易于掌握。
a． Ziegler-Nichols整定法
Ziegler-Nichols整定法是一种基于频域设计PID控制器的方法。基于频域的参数整定是需要考虑模型的，首先需要辨识出一个能较好反映被控对象频域特性的二阶模型。根据这样的模型，结合给定的性能指标可推导出公式，而后用于PID参数的整定。
基于频域的设计方法在一定程度上回避了精确的系统建模，而且有较为明确的物理意义，比常规的PID控制可适应的场合更多。目前已经有一些基于频域设计PID控制器的方法，如Ziegler-Nichols法、Cohen-Coon法等。Ziegler-Nichols法是最常用的整定PID参数的方法。
如果单位阶跃响应曲线看起来是一条S形的曲线，则可用此法，否则不能用。S形曲线用延时时间L和时间常数T来描述，则对象的传递函数可以近似为：
C(s)Ke?Ls? R(s)Ts?1利用延时时间L、放大系数K和时间常数T，根据表一中的公式确定Kp，Ti和?的值。
表一 Ziegler-Nichols整定法
控制器类型 P PI PID 比例度?/% 积分时间Ti 微分时间? 0 0 K*L T? 1.1K*L TK*L TL 0.32.2L 0.850.5L
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b． 临界比例度法
临界比例度法适用于已知对象传递函数的场合，在闭环的控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例度称为临界比例度?k，两个相邻波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期Tk。采用临界比例度法时，系统产生临界振荡的条件是系统的阶数是3阶或3阶以上。
临界比例度法的步骤如下：
（1）将调节器的积分时间Ti置于最大（Ti??），微分时间置零，比例度?适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行；
（2）将比例度?逐渐减小，得到等幅振荡过程，记下临界比例度?k和临界震荡周期Tk的值；
（3）根据?k和Tk值，采用表二的经验公式，计算出调节器的各个参数，即?、Ti和?的值。
表二 临界比例度法整定控制器参数
控制器类型 P PI PID 比例度?/% 积分时间Ti 微分时间? 0 0 2?k 2.2?k ? 0.883?k 1.7?k 0.50Tk 0.125Tk 按“先P后I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算数值上。若还不够满意，可再作一步调整。
临界比例度法注意事项：
（1）有的过程控制系统，临界比例度很小，调节阀不是全关就是全开，对工业生产不利；
（2）有的过程控制系统，当调节器比例度?调到最小刻度值时，系统仍然不产生等幅振荡，对此，将最小刻度的比例度作为临界比例度?k进行调节器参数整定。
c． 曲线衰减法
衰减曲线法根据衰减频率特性整定控制器参数。先把控制系统中调节器参数置成纯比例作用（Ti??,??0），使系统投入运行，再把比例度从大到小逐渐调小，直到出现4:1衰减过程曲线。此时比例度为4:1，衰减比例度为?s，上升时间为tr，两个相邻波峰间的时间间隔为Ts，称为4:1衰减振荡周期。
根据?s，tr，Ts，使用表三的经验公式可以计算出调节器的各个整定参数值。
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表三 临界比例度法整定控制器参数
控制器类型 P PI PID 比例度?/% 积分时间Ti 微分时间? 0 0 ?s 1.2?s 0.8?s ? 2tr或0.5Ts 1.2tr或0.3Ts 0.4tr或0.1Ts 按“先P后I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算数值上。若还不够满意，可再作一步调整。
衰减曲线法的注意事项：
（1）对于反应较快的系统，要认定4:1衰减曲线和读出Ts比较困难，此时，可以认为记录指针来回摆动两次就达到稳定是4:1衰减过程。
（2）在生产过程中，负荷变化会影响过程特性。当负荷变化较大时，必须重新整定调节器参数。
（3）若认为4:1衰减太慢，可采用10:1衰减过程。对于10:1衰减曲线整定调节器参数的步骤与上述完全相同，仅仅是计算公式不同。
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：
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1. 建立如图所示的实验Simulink原理图。
2. 双击原理图中的PID模块，出现参数设定对话框，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，观测系统的响应曲线，分析系统性能；然后调整比例增益，观察响应曲线的变化，分析系统性能的变化。
4. 重复（步骤2,3），将控制器的功能改为比例微分控制，观测系统的响应曲线，分析比例微分的作用。
5. 重复（步骤2,3），将控制器的功能改为比例积分控制，观测系统的响应曲线，分析比例积分的作用。
6. 重复（步骤2,3），将控制器的功能改为比例积分微分控制，观测系统的响应曲线，分析比例积分微分的作用。
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。不断修改比例增益，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。
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。 9. 修改比例增益，使系统输出呈现临界振荡波形，记下此时的比例增益。
10. 将PID控制器的比例、积分增益进行修改，对系统进行比例积分控制。不断修改比例、积分增益，使系统输出的过渡过程曲线的衰减比n=2,4,10，记下此时比例和积分增益。
11. 将PID控制器的比例、积分、微分增益进行修改，对系统进行比例积分控制。不断修改比例、积分、微分增益，使系统输出的过度过程曲线的衰减比n=2,4,10，记下此时比例、积分、微分增益。
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过程控制系统仿真实验指导
