天津大學(xué) 控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)仿真課設(shè)

1、天津大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì) 姓名： 趙 文 學(xué)號(hào)： 3010203052 班級(jí)： 自動(dòng)化2班 2013.08.23v 對(duì)所有過(guò)程控制系統(tǒng)對(duì)象進(jìn)行分析，分析所有參數(shù)的變化情況；（1） 單容非自衡對(duì)象（2） 單容自衡對(duì)象改變放大系數(shù)K改變時(shí)間常數(shù)T（3） 多容非自衡過(guò)程多容非自衡系統(tǒng)，改變T1或改變T2系統(tǒng)的響應(yīng)曲線的變化差別不大（4） 多容自衡過(guò)程時(shí)間常數(shù)越大，系統(tǒng)反應(yīng)越慢，上升時(shí)間越長(zhǎng)放大系數(shù)越大，系統(tǒng)發(fā)硬越快，上升時(shí)間越短改變多容的階數(shù)v 設(shè)計(jì)單回路，掌握PID三個(gè)參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響；1) 純比例控制比例控制的作用是：加快反應(yīng)速度，減小余差，同時(shí)也加強(qiáng)震蕩2) 比例作用加入積

2、分：積分作用的效果：最顯著的效果是消除穩(wěn)態(tài)誤差，只有有積分作用就能消除，而與積分作用的大小無(wú)關(guān)，同時(shí)也引入不穩(wěn)定因素，積分作用越大，則加強(qiáng)震蕩，因此加大超調(diào)量，使調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng)。3) 比例加微分作用：微分作用的效果：加入微分作用，可針對(duì)時(shí)滯較大的系統(tǒng)，加快上升時(shí)間，同時(shí)用預(yù)測(cè)控制的方法，減小超調(diào)量。同時(shí)加強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4) 比例積分微分作用：將比例積分微分作用與純比例作用，比例積分作用，和比例微分作用相對(duì)比：發(fā)現(xiàn)，凡是有積分作用的就沒(méi)有余差，微分作用只是起到的減小峰值從而減小超調(diào)量，加快上升時(shí)間的作用。在仿真圖中，PID控制的效果曲線最佳。v 對(duì)單回路其他環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬仿真（1） 對(duì)執(zhí)行環(huán)節(jié)可見(jiàn)

3、，執(zhí)行環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)越大，仿真曲線震蕩越劇烈，嚴(yán)重變形，需要重新設(shè)定PID參數(shù)才能使其達(dá)到目標(biāo)反應(yīng)曲線。需要加大比例作用和微分作用，減小積分作用。對(duì)于執(zhí)行環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)為T=5，對(duì)比校正后的和矯正前的曲線：（2） 對(duì)控制對(duì)象時(shí)間常數(shù)較大的被控對(duì)象，反應(yīng)較為遲緩，超調(diào)也大，加大比例控制作用Kp，曲線有明顯改善。被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)為T=25，對(duì)比圖：（3） 對(duì)檢測(cè)變送環(huán)節(jié)加大檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)后，時(shí)間常數(shù)越大震蕩越激烈，超調(diào)量越大應(yīng)該減小積分作用，加大微分作用：對(duì)于檢測(cè)變送環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)為T=1時(shí)，對(duì)比圖：l 深入理解根軌跡法的基本原理；掌握根軌跡的繪制方法、增益的選擇、穩(wěn)態(tài)誤差的消除措施等；%純比

4、例控制的根軌跡num = 1;den = conv(1,1,conv(15,1,0.01,1);G=tf(num,den);sys=feedback(G,1);%加入微分積分控制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);放大近虛軸出可得l 深入理解頻域響應(yīng)法的基本原理；掌握Bode圖的繪制方法、帶寬頻率的選擇；基

5、于Bode圖法調(diào)整控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)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 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與單回路比較；在第100秒加入一次擾動(dòng)，在第200秒加入第二次擾動(dòng)發(fā)現(xiàn)串級(jí)控制系統(tǒng)在抑制二次擾動(dòng)的效果上有明顯優(yōu)勢(shì)。l 前饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與單回路比較；加入幅值為10的擾動(dòng)，擾動(dòng)越大，前饋對(duì)比單回路的優(yōu)勢(shì)越明顯動(dòng)態(tài)前饋 在40S 時(shí)加入動(dòng)態(tài)前饋完全補(bǔ)償v 其它控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與單回路比較；比值控制與單回路控制比較：v 數(shù)字PID控制算法的實(shí)驗(yàn)研究。第二部分 液位課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一 被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)建模一、設(shè)計(jì)要求1. 了解水槽控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成；2. 掌握響應(yīng)曲線法建立數(shù)學(xué)模型；3. 熟悉Honeywell數(shù)字調(diào)節(jié)器的用法及調(diào)試；4. 對(duì)整個(gè)水槽控制系統(tǒng)有一個(gè)整體了解；5

7、. 單回路控制系統(tǒng)的最佳參數(shù)的計(jì)算方法。二、設(shè)計(jì)步驟1、 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)接線圖；并聯(lián)好線。2、 給儀器上電，并且打開水泵，同時(shí)緩慢打開管道上的閥門。3、 把調(diào)節(jié)器調(diào)至手動(dòng)狀態(tài)，調(diào)節(jié)輸出使其固定在一個(gè)定值。4、 當(dāng)液位穩(wěn)定后，打開記錄儀開始記錄，然后突然改變調(diào)節(jié)器的輸出，使調(diào)節(jié)閥的開度突然增加或減少。5、 用記錄儀記錄下液位的變化情況，直到液位穩(wěn)定。6、 用響應(yīng)曲線法計(jì)算出一階水槽的數(shù)學(xué)模型；7、 根據(jù)表1-1計(jì)算出單回路控制系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。繪圖儀液位顯示器液位變送器500歐姆調(diào)節(jié)器B250歐姆執(zhí)行器A三、實(shí)驗(yàn)建模接線圖如下響應(yīng)曲線法整定一階模型： G (S) = K0 / (T0S+1) e -

8、s 當(dāng)t>時(shí)，h（）-h（0）=Kx0，因而有K= (2-6) 當(dāng)t=T時(shí)，則有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h() (2-7) 下圖為 閥門開度變化為從15%到25% =10%由圖得 K=3.2 T0=55.6s =10s1、合理選擇階躍擾動(dòng)量，通常使調(diào)節(jié)器輸出增加10%或減少10%。2、實(shí)驗(yàn)應(yīng)在相同條件下重復(fù)做幾次，需獲得兩次以上的比較接近的響應(yīng)曲線，減小干擾的影響。3、實(shí)驗(yàn)應(yīng)在階躍信號(hào)作正、反方向變化時(shí)分別測(cè)出其響應(yīng)曲線，以檢驗(yàn)被控過(guò)程的非線性程度。4、在實(shí)驗(yàn)前，即在輸入階躍信號(hào)前，被控過(guò)程必須處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。在一次實(shí)驗(yàn)完成后，必須使被控過(guò)程穩(wěn)定一

9、段時(shí)間后，再施加測(cè)試信號(hào)作第二次實(shí)驗(yàn)。5、記錄儀參數(shù)設(shè)置：首先調(diào)整好記錄儀零點(diǎn)；設(shè)置量程為：5v；設(shè)置走紙速度：12mm/min設(shè)計(jì)二 一階單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定一、設(shè)計(jì)要求1、熟悉實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，了解各儀表的功能及有關(guān)操作。2、利用所提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)組成一個(gè)一階單回路液位控制系統(tǒng)。3、了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的特性。4、熟練掌握單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定過(guò)程；5、了解PID各參數(shù)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的作用。二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.首先采用P調(diào)節(jié)：比例度為 35% 初始液位10.7 穩(wěn)定液位30.72. 調(diào)整P調(diào)節(jié)參數(shù)比例度為39% 加擾動(dòng)后的響應(yīng) 初始液位10.7 穩(wěn)定液位為30.7（加大比例度減小比例作用之后，超調(diào)明

10、顯減少）3. 采用PI調(diào)節(jié) 圖1比例度為49% Ti=0.78 初始液位36 穩(wěn)定液位564. 調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)參數(shù)圖2 比例度為43% Ti=0.65 初始液位12.1 穩(wěn)定液位32.1（由于圖一波形較為平穩(wěn)，加大比例作用和積分作用，為使其達(dá)到完美4:1衰減控制）圖三比例度為40% Ti=0.73 擾動(dòng)為放水?dāng)_動(dòng) 擾動(dòng)為加水?dāng)_動(dòng) 兩者最后都趨于穩(wěn)定思考題：1. 有哪幾種擾動(dòng)，這幾種擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性的影響有何異同？ 有給定擾動(dòng)和外加擾動(dòng)兩種擾動(dòng)。兩者對(duì)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的分母一致，即兩者對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性影響一致，但分子不同，意味著對(duì)系統(tǒng)的靜態(tài)特性影響不一樣。2. 與執(zhí)行閥并聯(lián)的電阻減小，從5