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 ............................................................................................................................. 3 实验三 串级控制 ............................................................................................................................. 7 实验四 比值控制 ........................................................................................................................... 14 实验五 解耦控制系统 ................................................................................................................... 20
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。
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
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 0.50Tk 1.7?k 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。
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:
过程控制系统仿真实验指导资料
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