最少拍控制系统

1、最少拍控制系统(Simulink )( 1)掌握最少拍有纹波、无纹波系统的设计方法；( 2)学会对最小拍控制系统的分析方法。( 3)了解输入信号对最小拍控制系统的影响及其改进措施。(1)硬件环境微型计算机一台， Pentium4 以上各类微机 (2) 软件平台操作系统： Windows 2000MATLIB6.0 仿真软件 最少拍控制是一种直接数字设计方法。所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对 于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，使系统输出值尽快地跟踪期 望值的变化。它的闭环z 传递函数具有形式12N (z)zz ? z12N在这里，是可能情况下的最小正整数。这一传递形式表明闭

2、环系统的脉冲响应在N个采N样周期后变为零，从而意味着系统在N拍之内到达稳态。其控制原理如图1-1：,(z)G(z)Y(z)R(z)TTU(z)es()E(z)Gs()D(z)G(s) h00TT+Y(s)R(s)_G(s)图 1-1 最少拍系统控制原理图(1) 输入信号为单位阶跃输入，12.1(2) 被控对象为： G(s),02s(s ，1.252)( 3)采样周期 =1s。 T要求：设计控制器 ; D(z)(1) 按系统要求计算为有纹波控制器和无纹波控制器； D(z)(2) 按照系统原理图，在 simulink 下构造系统结构图模型；取输入信号为单位 阶跃信号和单位速度信号，设计控制器，观察

3、输入输出波型，标明参数，打印结果；(3) 观察系统输出波形在采样点以外的波形。( 4)比较有纹波与无纹波系统的区别，分析其原因。(1)最少拍受什么限制而使调整节拍增加？(2) 无纹波系统对控制器有何要求？(3) 分析不同输入信号对最小拍控制系统的影响。(Simulink )(1) 掌握应用大林算法进行纯滞后系统 D(z) 的设计； (2) 掌握纯滞后系统消 除振铃的方法。(1)硬件环境微型计算机一台， Pentium4 以上各类微机(2)软件平台操作系统： Windows 2000 以上；仿真软件工具：MATLIB5.3以上。在一些工业过程(如热工、化工)控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多

4、被控制对象具有纯滞后性质。例如，一个用蒸汽控制水温的系统，蒸汽量的变化要经过 长度为 L 的路,L/v, v, 程才能反映出来。这样，就造成水温的变化要滞后一段时间(是蒸 汽的速度)。对象的这种纯滞后性质常会引起系统产生超调和振荡。因此，对于这 一类系统，采用一般的2随动系统设计方法是不行的，而用 PID 控制往往效果也欠佳。本实验采用大林算法进行被控制对象具有纯滞后系统设计。设被控对象为带有 纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，达林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望 的传递函数，相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联，即 ,(s),se,(s), ,NT,s ，1 该算法控制将调整时间的要

5、求放在次要，而超调量小甚至没有放在首位。控制 原理如图 2-1,1.46se 其中：采样周期 ,G(s),=0.9 秒，期望传递函数 =0.5 秒，被控对象 ；输入 T03.34s ，1 信号为单位阶跃信号。,(z)G(z)Y(z)R(z)TTU(z)es()E(z)Gs()D(z)G(s)0 h0TT+Y(s)R(s)_G(s)图 2-1 纯滞后系统控制原理图 应用大林算法进行纯滞后系统设计 D（z） 控制 器，进行系统分析。（1）按照纯滞后控制系统要求设计 D（z） ；（ 2）按照系统原理图，在 simulink 下构造系统结构图模型； （ 3）分别做出 系统有振铃和消除振铃的仿真波形图，

6、标明参数，打印结果（包括系统的输出和控制器的输出）。（1）纯滞后控制系统对阶跃信号有无超调？为什么？（2）纯滞后控制与 PID 控制有什么本质区别？消除振铃前后系统输出有什么 不同？31）了解二位式温度控制系统的结构与组成。2）掌握位式控制系统的工作原理及其调试方法。1）TKGK-1型过程控制实验装置：位式控制器 GK-05 、变频器 GK-07-22）万用表一只3）计算机系统1 ） 温度传感器 温度测量通常采用热电阻元件（感温元件）。它是利用金属导体的电阻值随温 度变化而变化的特性来进行温度测量的。其电阻值与温度间的关系式为Rt = RtO1+ a （t -to）式中: Rt 温度为 t（

7、如室温 20?）时的电阻值；RtO温度为t0（通常为0?）时的电阻值；a电阻的温度系数。可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化。这样只要设法测出电阻 值的变化，就可达到温度测量的目的。本装置使用的是铂电阻元件PT1O0并通过温度变送器（测量电桥或分压采样电路或者 AI人工智能工业调节器）将电阻值的变化转 换为电压信号2）二位式温度控制系统本实验的被控对象是电热丝，被控制量是复合水箱中内套的水温T,温度变送器把被控制量T转变为反馈电压Vi，它与二位调节器设定的上限输入 Vmax和下限 输入Vmin比较，从而决定二位调节器的输出信号；调节器的输出电压V0（5V）作为执行元件的控制信号。V0

8、与Vmin和Vmax的关系如图3-1所示，图3-2为位式Vo 2Lvvmot控制系统的方块图。* *I Xi予r ¥图3-1 V与Vmin、Vmax Vi关系图 图3-2位式控制系统的方块图 0由图3-1可见，V0与Vi的关系不仅有死区存在，而且还有回环，因而图 3-2 所示的系统实质上是一个典型的非线性控制系统。执行器只有“开”或“关”两种 极限工作状态，故称这种控制器为两位调节器。该系统的工作原理是：当被控制的水温T减小到小于设定下限值时，即 Vi?Vmin时，调节器的输出为V0（5V）,执行元件（固 态继电器）接通，使电热丝接通220V电源加热（如图3-3所示）。随着水温T的升

9、高，Vi也不断增 大，当增大到4大于设定上限值时，即 Vi?Vmax时，则两位调节器的输出 V0由5V降到0V,此 时固态继电器释放，切断电热丝的供电。温度给定值是由GK-05挂件上的给定信号源给电当迸yitkm mm悔4 T叵式理#代址沽枸浊定，其中RP1电位器用于设定Vmin, RP2电位器用于设定Vmax (要求 Vmax-Vmin?1V。被控对象为复合水箱中的电热丝，被控制量为内套的水温，它由铂电阻PT100测定，并经温度变送器 AI708送到位式控制挂件GK-05的Vi端。位式控制是根据测得温度与设定温度上、下限进行比较，发出使固态继 电器通断的控制信号，从而达到控制水箱中水温的 目

10、的。由过程控制原理可知，双位控制系统的输出是一个断续控制作用下的等幅振荡 过程，如图2-4所示。因此不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡量，而用振幅图3-3位式控制系统结构图 和周期作为品质的指标。一般要求振幅 小，周期长，然而对同一双位控制系统来说，若要振幅小，则周期必然.短；若要周期长，则振幅必然大。T( c)1因此通过合理选择中间区以使振幅在限定范围内，而又尽可能获得较长的周期。0t（s）图 3-4 双位控制系统的响应曲线1）按图2-2所示的方块图，利用TKGK-1型实验装置组成控制系统。位式控制器输出端V接加热器控制信号的输入端“ TR，GK-05给定信号分别接“ Vm

11、aX和“Vmin”，将 AI-708O的变送输出信号“ TT'接到GK-05的“Vi”端。2）启动电源，分别调节好 Vmin和Vmax的设定值。3）以复合加热水箱作为被控对象，手动控制交流电机使之恒速往复合加热水 箱内套加水。4）打开 GK-01 上的加热开关，使系统投入运行。5）系统运行后，通过计算机监控软件记录水温变化过程的实时曲线。待稳定振荡23个周期后，观察位式控制过程曲线的振荡周期和振幅大小。实验数据记录如下：S （秒）T（?）6）打开阀 1 和阀6，关闭阀 2、阀3、阀 4和阀 5、阀7、阀 8，启动实验装置 的供水系统，给复合水箱的外套水箱加流动冷却水，重复上述的实验步骤

12、。51）Vmax必须要大于 Vmin （般要求 Vmax-Vmin ?1V 。用 I2）实验线路全部接好后，必须经指导老师检查认可后，方可接通电源开始实 验。 3 ）在老师指导下将计算机接入系统，利用计算机显示屏作记录仪使用，并保 存每次实验记录的数据和曲线。1）画出不同 Vmax、Vmin 时的系统被控制量的过渡过程曲线，记录相应的振荡 周期和振荡幅度的大小。2）画出加冷却水时被控量的动态响应曲线，并比较振荡周期和振荡幅度大 小。 3 ）综合分析位式控制系统的特点。1）为什么缩小Vmax与Vmin间差值，能改善双位控制系统的性能？2 ）为什么实际的双位控制特性与理想的双位控制特性有着明显的差

13、异？1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2）、研究系统分别用 P、PI 和 PID 调节器时的阶跃响应。3）、研究系统分别用 P、PI 和 PID 调节器时的抗扰动作用。4）、定性地分析 P、PI 和 PID 调节器的参数变化对系统性能的影响。 1 ）、THGK-1型过程控制实验装置：GK-04 GK-06 GK-07-22）、万用表一只3）、秒表一只II勺-:学牡MO?”包晁迪九埠列4）、计算机系统1、单容水箱液位控制系统13泌珀SS丽1一莎面嚴'9»C*"1吐F泸I站田炽町"翠羽h4*幫啊上普聲图4 2单容液位控制系统结构图图4-1单

14、容水箱液位控制系统的方块图图4-1为单容水箱液位控制系统结构图。图4-2为单容水箱液位控制实际系统 结构。这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的 高度；减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资 省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。（一）、比例（P）调节器控制1）、按图4-1所示，将系统接成单回路反馈系统。其中被控对象是上水箱, 被控制量是该水箱的液位高度 h。 12）、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。3）、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等

15、 于给定值（一般把液位高度控制在水箱高度的 50%点处）。4）、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调 节器切换到纯比例自动工作状态（积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处 于“关”的位置，比例度设置于某一中间值，“正 - 反”开关拔到“反”的位置，调节器的 “手动”开关拨到“自动”位置），让系统投入闭环运行。5）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可 通过改变设定值实现）。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录 余差大小。6）、减小S,重复步骤5,观察过渡过程曲线，并记录余差大小。7） 、增大重复步骤5,观察过渡过

16、程曲线，并记录余差大小。8）、选择合适的S值就可以得到比较满意的过程控制曲线。9）、注意：每当做完一次试验后,必须待系统稳定后再做另一次试验。（二）、比例积分调节器（PI）控制1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用（即把积分器“ I”由最大处“关” 旋至中间某一位置,并把积分开关置于“开”的位置）,观察被控制量是 否能回到设定值,以验证在 PI 控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。2）、固定比例度S值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti ,然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量c p。表二、S值不变、不同Ti时的超调量c p积分时间常数 Ti 大 中 小

17、超调量 c p3）、固定积分时间T i于某一中间值，然后改变 S的大小，观察加扰动后被 调量输出的动态波形，并列表记录不同 S值下的超调量c p。表三、Ti值不变、不同S值下的c p比例度S大中小超调量 c p4）、选择合适的S和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满 意的过渡过7 程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值由 50%变为 60%）来获得。（三）、比例积分微分调节（PID）控制1） 、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把D打开。 然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并 与实验步骤（二）所得的曲线相比较，由此可看到微分 D对系统性能的影响。2）、选择合适的3、Ti和Td,使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲 线（阶跃输入可由给定值从 50%突变至 60%来实现）3）、用计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线，并进行分析1）、绘制单容水箱液位控制系统的方块图。2）、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。3）、P调节时，作出不同S值下的阶跃响应曲线。4）、P