實(shí)驗(yàn)二單回路控制系統(tǒng)的建模與仿真

《過(guò)程控制系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

電氣工程與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)

張彩霞 陳廣義 編

佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院

2013年9月

前 言

過(guò)程控制是工業(yè)自動(dòng)化的重要分支。近年來(lái)，工業(yè)過(guò)程控制取得了快速的發(fā)展，無(wú)論是在大規(guī)模的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，還是在傳統(tǒng)工業(yè)過(guò)程改造中，過(guò)程控制技術(shù)對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量以及節(jié)省能源等均起著十分重要的作用。

《過(guò)程控制系統(tǒng)》是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的主要專(zhuān)業(yè)課程之一。作為《過(guò)程控制系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)部分，起到了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程理論體系理解，提高理論結(jié)合實(shí)際的能力。本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)包括六個(gè)部分的內(nèi)容，從被控過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型出發(fā)，分別設(shè)有單回路控制系統(tǒng)的建模與仿真、串級(jí)控制系統(tǒng)的建模與仿真、前饋控制系統(tǒng)、大滯后過(guò)程預(yù)估計(jì)補(bǔ)償控制系統(tǒng)，根據(jù)過(guò)程控制系統(tǒng)的本質(zhì)與特點(diǎn)，系統(tǒng)地討論了各種控制系統(tǒng)的建模方法，力圖使學(xué)生掌握過(guò)程控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)基本原理和技術(shù)。

目 錄

實(shí)驗(yàn)一 單回路控制系統(tǒng)的建模與仿真………………………………1

實(shí)驗(yàn)二 串級(jí)控制系統(tǒng)的建模與仿真…………………………………3

實(shí)驗(yàn)三 前饋控制系統(tǒng)…………………………………………………5

實(shí)驗(yàn)四 大滯后過(guò)程預(yù)估計(jì)補(bǔ)償控制系統(tǒng)………………………………7

實(shí)驗(yàn)一 單回路控制系統(tǒng)的建模與仿真

教材P164習(xí)題12要求：1. 建立數(shù)學(xué)模型；2.整定調(diào)節(jié)器參數(shù)值；3.仿真調(diào)試

對(duì)給定被控過(guò)程，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器

對(duì)給定被控過(guò)程，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器

實(shí)驗(yàn)二 串級(jí)控制系統(tǒng)的建模與仿真

1. 對(duì)給定三階系統(tǒng)，設(shè)計(jì)單回路PID調(diào)節(jié)器，觀察并記錄曲線(xiàn)，上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差。改變PID參數(shù)值，觀察輸出曲線(xiàn)的變化規(guī)律。

設(shè)計(jì)串級(jí)控制調(diào)節(jié)器，觀察并記錄曲線(xiàn)，上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差。

改變調(diào)節(jié)器參數(shù)值，觀察輸出曲線(xiàn)的變化規(guī)律。

比較兩種控制方案，從中可得到什么結(jié)論?

3. 假設(shè)隧道窯的燃燒室、燒成帶的數(shù)學(xué)模型為慣性加純滯后環(huán)節(jié)，分別為和，其控制系統(tǒng)的框圖為：

圖１隔焰式隧道窯溫度控制系統(tǒng)框圖

1. 請(qǐng)根據(jù)已知的燃燒室、燒成帶的數(shù)學(xué)模型對(duì)隔焰式隧道窯溫度進(jìn)行控制，使其滿(mǎn)足超調(diào)小于40%，用Matlab進(jìn)行仿真，并給出仿真圖形

2. 在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)串級(jí)控制回路，畫(huà)出串級(jí)控制系統(tǒng)框圖，用Matlab進(jìn)行仿真，并給出仿真圖形。

3. 給出加入一次擾動(dòng)、二次擾動(dòng)的仿真圖，比較在單回路控制及串級(jí)控制作用下，同時(shí)加入一次擾動(dòng)、二次擾動(dòng)的仿真結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)三 前饋控制系統(tǒng)

對(duì)給定慣性純滯后過(guò)程對(duì)象、觀察單回路PID調(diào)節(jié)器曲線(xiàn)，并記錄上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差。

加入擾動(dòng)，觀察記錄輸出曲線(xiàn)的變化。

引入靜態(tài)前饋，觀察記錄曲線(xiàn)的變化。

引入動(dòng)態(tài)前饋，觀察記錄曲線(xiàn)的變化。

假設(shè)某一工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制通道的傳遞函數(shù)為：，干擾通道的傳遞函數(shù)為：，

1)引入靜態(tài)前饋，觀察記錄曲線(xiàn)的變化，超調(diào)要求小于20%，并記錄上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差。

2) 引入動(dòng)態(tài)前饋，觀察記錄曲線(xiàn)的變化，超調(diào)要求小于20%，并記錄上升時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)誤差。

提示：在matlab仿真中，為了便于觀察結(jié)果，需把仿真時(shí)間設(shè)置的長(zhǎng)些，本題可設(shè)置為1000。

實(shí)驗(yàn)四 大滯后過(guò)程預(yù)估計(jì)補(bǔ)償控制系統(tǒng)

對(duì)給定慣性過(guò)程加入PI調(diào)節(jié)器后，觀察記錄階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。

2. 過(guò)程引入大滯后，觀察記錄階躍響應(yīng)曲線(xiàn)。

3. 系統(tǒng)采用smith預(yù)估補(bǔ)償方案，觀察記錄響應(yīng)曲線(xiàn)，從中可得出什么結(jié)論？

4. 綜合題

1)假設(shè)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為，設(shè)計(jì)PI控制，使其超調(diào)控制在55%以下，用Matlab進(jìn)行仿真，

2)加入純滯后環(huán)節(jié)后變?yōu)?#xff1a;，觀察系統(tǒng)輸出波形，用Matlab進(jìn)行仿真，

3)設(shè)計(jì)Smith預(yù)估補(bǔ)償控制，并求其輸出波形，用Matlab進(jìn)行仿真。

1

階躍信號(hào)

檢測(cè)變送

控制器

燃燒室

燒成帶

總結(jié)

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