天津大学 控制系统分析与设计仿真课设

1、天津大学自动化学院控制系统分析与设计 姓名： 赵 文 学号： 3010203052 班级： 自动化2班 2013.08.23v 对所有过程控制系统对象进行分析，分析所有参数的变化情况；（1） 单容非自衡对象（2） 单容自衡对象改变放大系数K改变时间常数T（3） 多容非自衡过程多容非自衡系统，改变T1或改变T2系统的响应曲线的变化差别不大（4） 多容自衡过程时间常数越大，系统反应越慢，上升时间越长放大系数越大，系统发硬越快，上升时间越短改变多容的阶数v 设计单回路，掌握PID三个参数对控制系统性能的影响；1) 纯比例控制比例控制的作用是：加快反应速度，减小余差，同时也加强震荡2) 比例作用加入积

2、分：积分作用的效果：最显著的效果是消除稳态误差，只有有积分作用就能消除，而与积分作用的大小无关，同时也引入不稳定因素，积分作用越大，则加强震荡，因此加大超调量，使调节时间变长。3) 比例加微分作用：微分作用的效果：加入微分作用，可针对时滞较大的系统，加快上升时间，同时用预测控制的方法，减小超调量。同时加强系统的稳定性。4) 比例积分微分作用：将比例积分微分作用与纯比例作用，比例积分作用，和比例微分作用相对比：发现，凡是有积分作用的就没有余差，微分作用只是起到的减小峰值从而减小超调量，加快上升时间的作用。在仿真图中，PID控制的效果曲线最佳。v 对单回路其他环节进行模拟仿真（1） 对执行环节可见

3、，执行环节的时间常数越大，仿真曲线震荡越剧烈，严重变形，需要重新设定PID参数才能使其达到目标反应曲线。需要加大比例作用和微分作用，减小积分作用。对于执行环节时间常数为T=5，对比校正后的和矫正前的曲线：（2） 对控制对象时间常数较大的被控对象，反应较为迟缓，超调也大，加大比例控制作用Kp，曲线有明显改善。被控对象时间常数为T=25，对比图：（3） 对检测变送环节加大检测变送环节的时间常数后，时间常数越大震荡越激烈，超调量越大应该减小积分作用，加大微分作用：对于检测变送环节时间常数为T=1时，对比图：l 深入理解根轨迹法的基本原理；掌握根轨迹的绘制方法、增益的选择、稳态误差的消除措施等；%纯比

4、例控制的根轨迹num = 1;den = conv(1,1,conv(15,1,0.01,1);G=tf(num,den);sys=feedback(G,1);%加入微分积分控制num1 = 7,1;den1 = conv(1,0,conv(1,1,conv(15,1,0.01,1);G1=tf(num1,den1);subplot(1,2,1); rlocus(sys) ;subplot(1,2,2); rlocus(sys1);figurestep(sys);hold on step(sys1);放大近虚轴出可得l 深入理解频域响应法的基本原理；掌握Bode图的绘制方法、带宽频率的选择；基

5、于Bode图法调整控制系统的动态和稳态性能指标方法num=10; den = conv(1,1,conv(15,1,0.01,1);gh1=tf(num,den);figure(1);bode(gh1);hold ongrid;num=100gh2=tf(num,den);bode(gh2);Gm1,Pm1,Wcg1,Wcp1=margin(gh1)Gm2,Pm2,Wcg2,Wcp2=margin(gh2)Gm1 =61.7079Pm1 =66.4267Wcg1 =10.3312Wcp1 =0.5742Gm2 =6.1708Pm2 =22.0233Wcg2 =10.3312Wcp2 =2.48

6、61l 串级控制系统的设计，与单回路比较；在第100秒加入一次扰动，在第200秒加入第二次扰动发现串级控制系统在抑制二次扰动的效果上有明显优势。l 前馈控制系统设计，与单回路比较；加入幅值为10的扰动，扰动越大，前馈对比单回路的优势越明显动态前馈 在40S 时加入动态前馈完全补偿v 其它控制系统设计，与单回路比较；比值控制与单回路控制比较：v 数字PID控制算法的实验研究。第二部分 液位课程设计设计一 被控对象的实验建模一、设计要求1. 了解水槽控制系统的结构及组成；2. 掌握响应曲线法建立数学模型；3. 熟悉Honeywell数字调节器的用法及调试；4. 对整个水槽控制系统有一个整体了解；5

7、. 单回路控制系统的最佳参数的计算方法。二、设计步骤1、 设计控制系统接线图；并联好线。2、 给仪器上电，并且打开水泵，同时缓慢打开管道上的阀门。3、 把调节器调至手动状态，调节输出使其固定在一个定值。4、 当液位稳定后，打开记录仪开始记录，然后突然改变调节器的输出，使调节阀的开度突然增加或减少。5、 用记录仪记录下液位的变化情况，直到液位稳定。6、 用响应曲线法计算出一阶水槽的数学模型；7、 根据表1-1计算出单回路控制系统的最优参数。绘图仪液位显示器液位变送器500欧姆调节器B250欧姆执行器A三、实验建模接线图如下响应曲线法整定一阶模型： G (S) = K0 / (T0S+1) e -

8、s 当t>时，h（）-h（0）=Kx0，因而有K= (2-6) 当t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h() (2-7) 下图为 阀门开度变化为从15%到25% =10%由图得 K=3.2 T0=55.6s =10s1、合理选择阶跃扰动量，通常使调节器输出增加10%或减少10%。2、实验应在相同条件下重复做几次，需获得两次以上的比较接近的响应曲线，减小干扰的影响。3、实验应在阶跃信号作正、反方向变化时分别测出其响应曲线，以检验被控过程的非线性程度。4、在实验前，即在输入阶跃信号前，被控过程必须处于稳定的工作状态。在一次实验完成后，必须使被控过程稳定一

9、段时间后，再施加测试信号作第二次实验。5、记录仪参数设置：首先调整好记录仪零点；设置量程为：5v；设置走纸速度：12mm/min设计二 一阶单回路控制系统参数整定一、设计要求1、熟悉实验系统，了解各仪表的功能及有关操作。2、利用所提供的实验设备，设计组成一个一阶单回路液位控制系统。3、了解闭环控制系统的特性。4、熟练掌握单回路控制系统的参数整定过程；5、了解PID各参数在调节过程中的作用。二、实验结果1.首先采用P调节：比例度为 35% 初始液位10.7 稳定液位30.72. 调整P调节参数比例度为39% 加扰动后的响应 初始液位10.7 稳定液位为30.7（加大比例度减小比例作用之后，超调明

10、显减少）3. 采用PI调节 图1比例度为49% Ti=0.78 初始液位36 稳定液位564. 调节PI调节参数图2 比例度为43% Ti=0.65 初始液位12.1 稳定液位32.1（由于图一波形较为平稳，加大比例作用和积分作用，为使其达到完美4:1衰减控制）图三比例度为40% Ti=0.73 扰动为放水扰动 扰动为加水扰动 两者最后都趋于稳定思考题：1. 有哪几种扰动，这几种扰动对系统的静态特性、动态特性的影响有何异同？ 有给定扰动和外加扰动两种扰动。两者对系统的传递函数的分母一致，即两者对系统的动态特性影响一致，但分子不同，意味着对系统的静态特性影响不一样。2. 与执行阀并联的电阻减小，从5