过程控制仿真试验

1、过程控制实验实验一用临界比例度法整定单回路反馈控制系统实验目的1熟悉临界比例度法的整定方法。2了解阶跃响应的一般规律。实验原理临界比例度法是目前应用比较广泛的一种整定方法，这种方法的特点是：不需要对被控对象单独求取响应曲线，而直接在闭环反馈控制系统中进行整定（实验框图见实验指导书末）。这种方法的要点是：使调节器对被控对象起控制作用，但调节器先要当作比例调节器（Ti=oo, Td=0）,从较大的比例度 8开始作实验，逐步减小比例度8,每改变8一次，作一次定值干扰实验，观察控制过程曲线，看看被控参数是否达到临界振荡状态，如果控制过程波动是衰减的，则应把比例度继续减小，如果控制过程波动是发散的，则应

2、把比例度放大一些，一直实验到比例度减小到被控参数作临界振荡为止。这时比例度就是临界比例度8k,来回波动一次的时间就是临界周期Tk（临界振荡曲线如图 1-1 ）这时控制系统已处于“临界状态”。记下这时的波动周期 Tk以及临界比例度8 k, 再跟据表1-2的经验公式，计算调节器的最佳参数。表1-2控制规律8 (%)Ti(s)Td(s)P2 8kPI2.2 8 k0.85TkPID1.7 8 k0.5Tk0.13Tk三试验步骤1开机执行c： MATLAB（用鼠标双击 MATLAB 图标）进入 MATLAB : Command Windows”。2在MATLAB 命令窗口上键入 M文件命令：mainm

3、ap0欢迎画面闪动5秒钟后，进入主窗口，如图 1-4所示。进行某一实验点击相应按钮，实验结束后点按退出按钮会回到这个窗口，已 进行下一个实验，另外可以点按索引和详细情况进行查询，本实验点击实验 一即可进入临界比例度法的演示实验。图1-43进入实验一显示窗口如1-5所示。先将 Ti= 8（ MATLAB 中inf即为无穷大）Td=0取一个比较大的 8 （1/kp）开 始试验。 TOC o 1-5 h z 建议选择参数：给定阶跃幅值1仿真精度1-e3仿真步距0.1仿真点数1000图像显示点数 10001/Kp0.1图1-5(1)点击运行显示在现在参数下的系统阶跃响应图像如图1-6。(2)点击详细情

4、况显示如图1-7。图1-6单回甜品址隹度宝变三-一口蛔碳图1-7(3)单击观察等幅振荡后面的确定按钮显示振幅列表，以帮助确认系统振荡是否等幅。数据具体意义由图1-8所示。图1-8jrJ?/y1为第一波峰值,t1为相应时间。 y2为第一波谷值，t2为相应时间。 以下同上。(4)根据系统阶跃响应曲线和观察振幅列表反复调整比例度8,使系统阶跃响应达到等幅(即系统的临界状态)，读出这时的比例度 8 k并求出振荡周期Tk 关闭窗口，回到图1-5所示窗口。4参照表1-2计算出调节器的整定参数 STiTd。将这些参数填到图 1-5所示 窗口中的相应位置，点击运行可观看系统阶跃响应曲线。5点击详细情况，显示如

5、图1-7所示，选择观看整定结果参数后面的确定按钮，显示如图1-9所示。图1-9囹单回路临界比例度法整定说明:看点技制图技纽显示整定后的响应曲线 H点按详细费料按纽则会列出超调量和 过度过程时间及阶跃口向应稳态值.呆下面单选按纽用于选择误差带注I必须在选择误差带后再点制图按细 或详细资料按细.整定后的PID叁 数及仿真设置参数在窗口 一输入.母允许与终值偏差为2%r允许与终值偏差为5%6选取相应误差带后，选择制图按钮显示精确的闭环阶跃响应曲线如图1-10所示。7点击详细资料，会列出系统阶跃响应的各种数据，上升时间，过度过程 时间，余差，和最大超调量。记录这些数据，看是否满足要求。注意：求得8 k

6、计算出Tk以后，算出8 , Ti , Td。先把8放到比计算 值稍大一点的数值上，然后把Ti加上。如果效果不理想，在放上微分时间Td ,最后再把8放回计算值，适当调整比例度，使系统 处于最佳状态。图 1-10n x|回单叵胺眸K廿例庶法军定一】腕II胜从零点到黄色垂线的距离（时间）对应上升时间。从零点到蓝色垂线的距离（时间）对应过度过程时间。实验框图注意事项:试验时不要关闭主窗口，应实验完成后再退出。阶跃幅值应是正数。图像显示点数应小于实验点数，访真步距是秒，程序中其他的与时间有关的量的单位都是仿真步距。4误差带的选择决定了进入稳态的时间，即过渡过程时间，但如果实验 点数过少，可能显示不出来。

7、5试验点数和显示点数可跟据计算机性能增减实验二 用衰减曲线法整定单回路反馈控制系统实验目的1熟悉临界比例度法的整定方法。2了解比例度和响应曲线衰减的规律。实验原理衰减曲线法是在总结临界比例度法基础上发展起来的。这种方法不需要大量凑试，也不需要得到临界波动过程，而直接求得调节器的比例度，整定步骤简单明了，衰减曲线法根据工艺需要分（4: 1）衰减和（10: 1）衰减两种，先分别介绍如下。（实验框图见实验指导书末）（4: 1）衰减曲线法同临界比例度法一样，在闭环情况下，先把调节器当作纯比例调节器（Ti=8,Td=0）,先将比例度放到比较大的数值 ，逐步减小比例度，并加定制扰动，直到 系统出现如图2-

8、1所示的（4: 1）的衰减过程为止。这时控制过程的比例度称为（4: 1）衰减比例度8 s,两相邻波峰之间的时间称（4: 1）衰减周期Tso再根据 表2-3经验公式，计算调节器整定参数8 , Ti ,和Tdo（10: 1）衰减曲线法在实际生产过程中，往往对控制过程的稳定性有不同的要求。对有的生产过程来说，感到（4: 1）衰减过程稳定性不够高，这时可采取（10: 1）衰减过程。因此引出（10: 1）衰减曲线法，如图 2-2所示。其中8 s为调节器作为比例作用 时的比例度，To为控制过程上升时间。这里不采用控制过程波动周期，原因在于 曲线衰减很快，控制周期测不准确。有了 8s和To以后，再根据表 2

9、-4经验公式计算调节器整定参数8 , Ti ,和Tdo其它步骤和（4: 1）衰减曲线法完全相同。|口手叫好口比曲噌以牙苏叼后捋t10200400 SOO BOO 1000图2-2图2-1表2-36 =0.75File Ilit 心工&卞” MU控制规律8 (%)Ti(min)Td(min)P8 sPI1.28 s0. 5TsPID0.8 8 s0.3Ts0.1Ts控制规律8 (%)Ti(min)Td(min)P8 sPI1.28 s2ToPID0.8 8 s1.2To0.4To表2-4=0.9三实验步骤1开机执行 c： MA TLAB（用鼠标双击 MATLAB 图标）进入 MATLAB : C

10、ommand Windows”。2在MATLAB 命令窗口上键入 M文件命令：mainmap0欢迎画面闪动5秒钟后，进入主窗口，如图2-6所示。进行某一实验点击相应按钮，实验结束后点按退出按钮会回到这个窗口，已 进行下一个实验，另外可以点按索引和详细情况进行查询，本实验点击实验 二即可进入衰减曲线法的演示实验。图 2-63进入实验二显示窗口如2-7所示。根据精度要求，选择使用(4: 1)或是(10: 1)衰减曲线法，这对应使用不同公式计算。 TOC o 1-5 h z 建议选择参数：给定阶跃幅值0.3仿真精度1-e3仿真布距0.01仿真点数10000图像显示点数10000Kp先将Ti=8 Td

11、=0,取一个比较大的 8 (1/kp)开始试验。图2-7(1)点击运行显示在现在参数下的系统阶跃响应图像如图2-8。10图2-8Q 2004005008001000本图显示的就是发散的情况，发散的原因是比例度太小。(2)点击详细情况显示如图2-9。图2-911（3）单击观察振荡参数后面的确定按钮显示窗口如图 衰减比和比例度。图 2-102-10所示，帮助确定（3）根据运行的图像和详细情况内的数据，调整比例度的大小，使系统的衰减曲线呈（4: 1）或（10:（4）读出Ts和8 s,回到图2-71 ）。所示窗口。如果使用（4: 1）衰减曲线法根据表2-3计算PID参数，如果使用（10: 1）衰减曲线

12、法则根据表 2-4计算PID参数。将计算出的参数填到图 2-7所示的窗口中，点击运行显示粗略的阶跃曲线，点 击详细情况显示窗口如图2-9所示，选择误差带后点击运行按钮，显示精确的系统阶跃响应曲线 如图2-11在图中，可以直观的看到上升时间，超调，过渡 过程时间。注意：先将比例度放到比计算值稍大一些的数值上，然后放上积分时间， 如需要，再放上微分时间。图 2-1112从零点到黄色垂线的时间是上升时间从零点到蓝色垂线的时间是稳态（过渡过程）时6点击运行按钮下面的详细情况按钮，显示系统阶跃响应的各种数据，包括余差，上升时间，过渡过程时间，最大超调量，衰减比。记录数据，分析是否 满足要求。实验框图注意

13、事项：1试验时不要关闭主窗口，应实验完成后再退出。2阶跃幅值应是正数，图像显示点数应小于实验点数，访真步距是秒。3误差带的选择决定了进入稳态的时间，即过渡过程时间，但如果实验 点数过少，可能显示不出来。4试验点数和显示点数可跟据计算机性能增减实验三用飞升曲线法整定单回路反馈控制系统实验目的1熟悉飞升曲线法的整定方法。2 了解系统开环和闭环响应曲线的异同。实验原理在临界比例度法和衰减曲线法中，都不需要事先知道被控对象的动态特征，而且直接在闭环系统中进行整定。而飞升曲线法则是在系统处于开环情况下做实验，给对象一个接跃信号输入，观察输出的变化，将这个变化曲线记录下来就是飞升曲线，如图 3-1所示。从

14、响应曲线上可求得对象特征参数t , T和e （对有自衡对象），或者。和 （对于无自衡对象），其中为飞升速度。对于有自衡对 象，e=k/T,其中T为对象的时间常数，K为放大系数；这里应强调指出，此处 放大彳数K必须化成无因次量，即K= A Y/ （Ymax-Ymin ） /Ar/ （ Rmax-Rmin）Rmax Rmin为调节器手动输出信上式中A r为调节器手动输出信号的给定跃值；13号的最大值和最小值； Ymax, Ymin为广义对象输出的最大值和最小值。至于其 它对象特征参数t和T值,直接从相应曲线上求得,如图3-1 。|囹单回路反应曲线法整定-反应曲线回闻图3-1然后根据表3-3由以知的

15、K Te求得PID参数。但表3-3是比较粗略的，比较 精确的是表3-4的参数计算方法，但比较复杂。比较上述两套整定公式可以看出： 表3-2中的计算公式与表 3-3中在/T=0.2时，这两套公式就有较大区别，用表3-3要比用表3-2精确的多。（实验框图见实验指导书末）表3-2控制规律8 (%)Ti(min)Td(min)PS T * 100%PI1.1 S T * 100%3.3 tPID0.85 S T * 100%2 T0.5 T14表3-3参数 整定对象特征整定P计算PI公式PID8t /T=0.2 T1.1 T0.8 T80.2( T /T)1.52 T2s T1.7 s TTiT /T

16、=0.23.3 t2.5 tTi0.2( T /T)1.50.6 T0.7 TTd0.15Ti三试验步骤1开机执行 c： MA TLAB（用鼠标双击 MATLAB 图标）进入 MATLAB : Command Windows”。2在MATLAB 命令窗口上键入 M文件命令：mainmap0欢迎画面闪动5秒钟后，进入主窗口，3-5所示。进行某一实验点击相应按钮，实验结束后点按退出按钮会回到这个窗口，已 进行下一个实验，另外可以点按索引和详细情况进行查询，本实验点击实验 三即可进入飞升曲线法的演示实验。15图3-53进入实验三，显示窗口如图3-6所示。(1)自动控制系统选择开环手动，将被控参数调到

17、给定附近，然后加入一阶跃输入。 TOC o 1-5 h z 建议选择参数：阶跃起始时间80给定阶跃幅值0.3给定初值0.1仿真精度1-e3仿真布距0.1仿真点数30000作图起始点0图像显示点数30000Kp16（2）点击运行按钮，显示系统在现在系统参数下的阶跃响应曲线，见图3-1所示。（3）点击详细情况按钮，显示图 3-7所示的窗口图3-7阶跃起始时间11BOOO128360131 0463等效时间常数T2103等效滞后时间T360调节器手动输入阶跃值AxD30广义对象输出的变优值Ay0.30这里t1是从0到黄色垂线的距离（时间）对应着系统的阶跃起始点。这里t2是从0到绿色垂线的距离（时间）

18、这里t3是从0到白色垂线的距离（时间）（图像上的时间轴零点不是仿真的时间零点，而是作图起始点。）从表中可以得出和。从而求得闭环控制的 PID控制参数4将所求得的数据（Ti Td）填入图3-6所示的窗口中，选择误差范围，自动控制系统选择闭环自动，点击运行按钮，观看校正后的闭环阶跃响应。如图3-8所示。图3-8173-9。5点击详细情况，观看整定结果，和系统性能参数，见图图3-9口单回路飞升曲线法整定tl8000t210371t310558上升时间1r2371过度过程时阚ts2558品大超局量Mp7.05余叁Es0.15衰减比173.74实验框图输出注意事项：1试验时不要关闭主窗口，应实验完成后再

19、退出。2阶跃幅值应是正数，访真步距单位是秒。3误差带的选择决定了进入稳态的时间，即过渡过程时间，但如果实验 点数过少，可能显示不出来。4试验点数和显示点数可跟据计算机性能增减5开环时可以不选择误差带。18实验四串级控制系统的参数整定一 实验目的1掌握串级系统的组成和特点。2熟悉串级系统两步法整定的基本方法。3了解串级系统和单回路系统的本质区别和性能差异。二实验原理在常规控制中，串级控制系统是改善过程控制质量的最有效方法之一， 它在生产过程中应用很广泛。串级控制系统与单回路控制系统不同之处在于串级控制系统比单回路 控制系统多了一个副回路。这样的结构差别必然引起控制效果的不同，必 然产生自己的特点

20、，主要是：（串级控制系统框图见图 4-1）对进入副回路的二次干扰具有很强的克服能力。时间常数大大减小。提高了系统的工作频率。有一定的自适应能力。串级控制系统的设计原则：应将主要干扰纳入副回路内。应对主，副对象的时间常数适当匹配。我们这里讨论的是串级控制系统两步法整定，对于一般串级系统，往往对 副回路的质量指标没有严格要求，而对主回路的质量指标要求很严。在主回路 闭合的情况下，将主调节器的比例度8 1放到100%积分时间Ti1放到最大（Ti1=oo）,微分时间放到零。用整定单回路的方法来整定副回路，如用 10 : 1 衰减曲线法来整定副回路，则求取副回路10 : 1衰减过程的8 2s和T2s。使

21、副回路视为主回路中一个组成部分，同样用 10 : 1方法整定主回路，求取主回路10 : 1 衰减过程的81s和T1s。根据上面求得的 8 1s, T1s, 82s, T2s值，结 合调节器的类型，按照采取的衰减比（如 10 ： 1）,查表求取主，副调节器的整定 参数。按照“先副后主”先比例在积分再微分的原则，将计算所得的调节器参数设 置到调节器上去。作一些干扰实验，观察控制过程曲线， 如不满意，在作适当调整。（实验框图见实验指导书末）三实验步骤.开机执行 c： MATLAB（用鼠标双击 MATLAB 图标）进入 MATLAB : Command Windows”。.在MATLAB命令窗口上键入

22、 M文件命令：fig0 ,进入主窗口，如图4-1所示。进行某一实验点击相应按钮，实验结束后点按退出按钮会回到这个窗口，已 进行下一个实验，另外可以点按索引和详细情况进行查询，本实验点击实验 四即可进入串级系统实验。19图4-13 .进入实验四显示窗口如4-2所示。窗口上有四个单选钮分别是：加入一次干扰副回路开闭环加入二次干扰主回路开闭环图4-2(1)先选择主回路断开，副回路闭合，一次二次干扰断开。将主调节器的比例度8 1放到100%,积分时间Til放到最大(Ti1= 8),微分时间放到零。用整定单回路的方法来整定副回路，这里用 10 : 1衰减曲线法来整定副回路，则求取副回路10 : 1衰减过程的8 2s和T2s点按副回路衰减曲线及参数按钮。20(2)选择主回路闭合，副回路闭