過程控制試驗試驗匯報班級：自動化1202姓名：楊益?zhèn)W(xué)號：10月信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院試驗一過程控制系統(tǒng)建模作業(yè)題目一：常見的工業(yè)過程動態(tài)特性的類型有哪幾種？一般的模型均有哪些？在Simulink中建立對應(yīng)模型，并求單位階躍響應(yīng)曲線。答：常見的工業(yè)過程動態(tài)特性的類型有：無自平衡能力的單容對象特性、有自平衡能力的單容對象特性、有互相影響的多容對象的動態(tài)特性、無互相影響的多容對象的動態(tài)特性等。一般的模型有一階慣性模型，二階模型等。單容過程模型無自衡單容過程的階躍響應(yīng)實例已知兩個無自衡單容過程的模型分別為和，試在Simulink中建立模型，并求單位階躍響應(yīng)曲線。Simulink中建立模型如圖所示：得到的單位階躍響應(yīng)曲線如圖所示：自衡單容過程的階躍響應(yīng)實例已知兩個自衡單容過程的模型分別為和，試在Simulink中建立模型，并求單位階躍響應(yīng)曲線。Simulink中建立模型如圖所示：得到的單位階躍響應(yīng)曲線如圖所示：多容過程模型有互相影響的多容過程的階躍響應(yīng)實例已知有互相影響的多容過程的模型為，當(dāng)參數(shù),時，試在Simulink中建立模型，并求單位階躍響應(yīng)曲線在Simulink中建立模型如圖所示：得到的單位階躍響應(yīng)曲線如圖所示：無互相影響的多容過程的階躍響應(yīng)實例已知兩個無互相影響的多容過程的模型為（多容有自衡能力的對象）和（多容無自衡能力的對象），試在Simulink中建立模型，并求單位階躍響應(yīng)曲線。在Simulink中建立模型如圖所示：得到的單位階躍響應(yīng)曲線如圖所示：作業(yè)題目二：某二階系統(tǒng)的模型為，二階系統(tǒng)的性能重要取決于，兩個參數(shù)。試運用Simulink仿真兩個參數(shù)的變化對二階系統(tǒng)輸出響應(yīng)的影響，加深對二階系統(tǒng)的理解，分別進行下列仿真：不變時，分別為0.1,0.8,1.0,2.0時的單位階躍響應(yīng)曲線；從上至下分別為0.1,0.8，1.0,2.0不變時，分別為2,5,8,10時的單位階躍響應(yīng)曲線。從下到上wn分別為2,5,8,10試驗二PID控制作業(yè)題目：建立如下所示Simulink仿真系統(tǒng)圖。運用Simulink仿真軟件進行如下試驗：建立如圖所示的試驗Simulink原理圖。雙擊原理圖中的PID模塊，出現(xiàn)參數(shù)設(shè)定對話框，將PID控制器的積分增益和微分增益改為0，使其具有比例調(diào)整功能，對系統(tǒng)進行純比例控制。進行仿真，觀測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)性能；然後調(diào)整比例增益，觀測響應(yīng)曲線的變化，分析系統(tǒng)性能的變化。由以上三組響應(yīng)曲線可以看出，純比例控制對系統(tǒng)性能的影響為：比例調(diào)整的余差伴隨比例帶的加大而加大，減小比例帶就等于加大調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)增益，其後果是導(dǎo)致系統(tǒng)真劇烈震蕩甚至不穩(wěn)定，比例帶很大時，被調(diào)量可以沒有超調(diào)，但余差很大，調(diào)整時間也很長，減小比例帶就引起被調(diào)量的來回波動，但系統(tǒng)仍也許是穩(wěn)定的，余差對應(yīng)減少。反復(fù)（環(huán)節(jié)2,3），將控制器的功能改為比例微分控制，觀測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例微分的作用。由以上四組響應(yīng)曲線可以看出，比例微分控制對系統(tǒng)性能的影響為：可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引入合適的微分動作可以減小余差，并且減小了短期最大偏大，提高了振蕩頻率反復(fù)（環(huán)節(jié)2,3），將控制器的功能改為比例積分控制，觀測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例積分的作用。由以上響應(yīng)曲線可以看出，比例積分控制對系統(tǒng)性能的影響為：消除了系統(tǒng)余差，但減少了穩(wěn)定性，PI調(diào)整在比例帶不變的狀況下，減小積分時間TI（增大積分增益I），將使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性減少、振蕩加劇、調(diào)整過程加緊、振蕩頻率升高反復(fù)（環(huán)節(jié)2,3），將控制器的功能改為比例積分微分控制，觀測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分析比例積分微分的作用。由以上幾組響應(yīng)曲線可以看出，比例積分微分控制對系統(tǒng)性能的影響為：提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，克制動態(tài)偏差，減小余差，提高響應(yīng)速度，當(dāng)微分時間較小時，提高微分時間可以減小余差，提高響應(yīng)速度并減小振蕩，當(dāng)微分時間較大時，提高微分時間，振蕩會加劇。將PID控制器的積分微分增益改為0，對系統(tǒng)進行純比例控制。不停修改比例增益，使系統(tǒng)輸出的過度過程曲線的衰減比n=4，記下此時的比例增益值。通過調(diào)整，當(dāng)比例P=1時，終值r=0.5，第一種波峰值y1=0.72，第二個波峰值y2=0.55，衰減比約為4，如下圖所示修改比例增益，使系統(tǒng)輸出的過度過程曲線的衰減比n=2，記下此時的比例增益值。通過調(diào)整，當(dāng)比例P=12時，終值r=0.93，第一種波峰值y1=1.6，第二個波峰值y2=1.25衰減比約為2，如下圖所示修改比例增益，使系統(tǒng)輸出展現(xiàn)臨界振蕩波形，記下此時的比例增益。P=100p=1000由圖可知，Kp值越大，系統(tǒng)的衰減比越小。故要使系統(tǒng)展現(xiàn)臨界波形，可使Kp趨于無窮大將PID控制器的比例、積分增益進行修改，對系統(tǒng)進行比例積分控制。不停修改比例、積分增益，使系統(tǒng)輸出的過渡過程曲線的衰減比n=2,4,10，記下此時比例和積分增益。將PID控制器的比例、積分、微分增益進行修改，對系統(tǒng)進行比例積分控制。不停修改比例、積分、微分增益，使系統(tǒng)輸出的過度過程曲線的衰減比n=2,4,10，記下此時比例、積分、微分增益。對系統(tǒng)進行比例積分控制：n=2通過調(diào)整，當(dāng)比例P=2，I=0.6時終值r=1，第一種波峰值y1=1.30，第二個波峰值y2=1.16，衰減比約為2，如下圖所示n=4通過調(diào)整，當(dāng)比例P=2.9，I=0.42時終值r=0.99，第一種波峰值y1=1.06，第二個波峰值y2=1.28，衰減比約為4n=10通過調(diào)整，當(dāng)比例P=1.23，I=0.02時終值r=0.62，第一種波峰值y1=0.82，第二個波峰值y2=0.64，衰減比約為10對系統(tǒng)進行比例積分微分控制n=2通過調(diào)整，當(dāng)比例P=6，I=1，D=0.05時終值r=1，第一種波峰值y1=1.5，第二個波峰值y2=1.25，衰減比約為2n=4通過調(diào)整，當(dāng)比例P=6，I=0.5，D=0.5時終值r=0.97，第一種波峰值y1=1.36，第二個波峰值y2=1.06，衰減比約為4，如下圖所示n=10通過調(diào)整，當(dāng)比例P=11，I=0.05，D=2時終值r=0.92，第一種波峰值y1=1.3，第二個波峰值y2=0.96，衰減比約為10，如下圖所示試驗三串級控制作業(yè)題目：串級控制系統(tǒng)仿真。已知某串級控制系統(tǒng)的主副對象的傳遞函數(shù)Go1，Go2分別為：，副回路干擾通道的傳遞函數(shù)為：。畫出串級控制系統(tǒng)的方框圖及相似控制對象下的單回路控制系統(tǒng)方框圖。用Simulink畫出上述兩個系統(tǒng)的仿真框圖串級控制系統(tǒng)的方框圖如下所示：單回路控制系統(tǒng)方框圖如下所示：選用PID調(diào)整器，整定主副控制器的參數(shù)，使該串級控制系統(tǒng)性能良好，并繪制對應(yīng)的單位階躍響應(yīng)曲線。通過不停試驗，當(dāng)PID

C1為主控制器輸入比例系數(shù)為360，積分系數(shù)為30，微分系數(shù)為60時；當(dāng)PID

C2為副控制器輸入比例系數(shù)為5，積分系數(shù)為0，微分系數(shù)為0時；系統(tǒng)階躍響應(yīng)到達比較滿意的效果，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如下圖所示：采用這套PID參數(shù)時二次擾動作用下的階躍響應(yīng)：一次擾動下的階躍響應(yīng)：比較單回路控制系統(tǒng)及串級控制系統(tǒng)在相似的副擾動下的單位階躍響應(yīng)曲線，并闡明原因。單回路控制系統(tǒng)在相似的副擾動下的單位階躍響應(yīng)曲線：二次擾動作用下的階躍響應(yīng)：一次擾動下的階躍響應(yīng)：串級控制系統(tǒng)在相似的副擾動下的單位階躍響應(yīng)曲線：二次擾動作用下的階躍響應(yīng)：一次擾動下的階躍響應(yīng)：比較上圖故可知串級系統(tǒng)由于副回路的存在對擾動的克制能力更強。因擾動經(jīng)干擾通道進入回路後首先影響副回路的輸出，副回路反饋後引起副控制器立即動作，力圖消弱干擾影響，使得干擾通過副回路的克制後再進入主回路，對主回路的輸出影響大為減弱試驗四比值控制作業(yè)題目：在例一中如系統(tǒng)傳遞函數(shù)為，其他參數(shù)不變，試對其進行單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)仿真分析，并討論分母中“15”變化時控制系統(tǒng)的魯棒性。（1）分析從動量無調(diào)整器的開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

由控制理論知，開環(huán)穩(wěn)定性分析是系統(tǒng)校正的前提。系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析可運用Bode圖進行，編制MATLAB

Bode圖繪制程序（M-dile）如下：

clearallcloseallT=15;K0=3;tao=4;num=[K0];den=[T,1];G=tf(num,den,'inputdelay',tao);margin(G)執(zhí)行該程序得系統(tǒng)的Bode圖如圖所示，可見系統(tǒng)是穩(wěn)定的。幅值裕量為6.77dB，對應(yīng)增益為2.2(2)選擇從動量控制器形式及整定其參數(shù)。根據(jù)工程整定的論述，選擇PI形式的控制器，即。本處采用穩(wěn)定邊界法整定系統(tǒng)。先讓=0，調(diào)整使系統(tǒng)等幅振蕩（由穩(wěn)定性分析圖知在=2.2附近時系統(tǒng)震蕩），雖然系統(tǒng)處在臨界穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)Simulink框圖如下所示調(diào)整時，系統(tǒng)響應(yīng)圖如下所示，基本到達了振蕩臨界規(guī)定

（3）系統(tǒng)過程仿真。單閉環(huán)比值控制過程相稱于從動量變化的隨動控制過程。假定積極量由一常值10加幅度為0.3的隨機擾動構(gòu)成，從動量受均值為0、方差為1的隨機干擾。積極量和從動量的比值根據(jù)工藝規(guī)定及測量儀表假定為3。系統(tǒng)的控制過程Simulink仿真框圖如圖所示。其中控制常量及隨機擾動采用封裝形式。積極控制量的封裝構(gòu)造如下：運行成果如下所示（圖中曲線從上往下分別為從動量跟蹤成果、積極量給定值和隨機干擾）：可見除初始時間延時外，從動量很好地跟隨積極量變化而變化，并且基本維持比值3，有效地克服了積極量和從動量的擾動。（4）單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)魯棒性分析

規(guī)定分母中“15”變化10%，即積分時間為13.5~16.5，分析系統(tǒng)魯棒性。

系統(tǒng)仿真框圖如下圖所示延時選擇模塊Subsystem的展開圖如下所示變化積分時間常數(shù)為13.5，13.8……16.5共11個值。通過運行後在工作空間繪圖（使用語句：plot（tout，simout）；hold

on；grid

on）即可見到下圖的仿真成果。仿真成果可見，伴隨延時環(huán)節(jié)的變化，從動量跟隨積極量的規(guī)律有較小變化，但并未變化系統(tǒng)穩(wěn)定性及精度，闡明系統(tǒng)在積分時間發(fā)生10%變化時仍能正常工作，系統(tǒng)的魯棒性較強。試驗五解耦控制系統(tǒng)作業(yè)題目：在例題中若輸入輸出之間傳遞關(guān)系改為，其他參數(shù)不變，試運用對角陣解耦措施實現(xiàn)系統(tǒng)的過程控制。求系統(tǒng)相對增益以及系統(tǒng)耦合分析由題得系統(tǒng)靜態(tài)放大系數(shù)矩陣為=即系統(tǒng)的第一放大系數(shù)矩陣為：系統(tǒng)的相對增益矩陣為：由相對增益矩陣可以得知，控制系統(tǒng)輸入、輸出的配對選擇是對的的；通道間存在較強的互相耦合，應(yīng)對系統(tǒng)進行解耦分析。

系統(tǒng)的輸入、輸出構(gòu)造如下圖所示（2）確定解耦調(diào)整器

根據(jù)解耦數(shù)學(xué)公式求解對角矩陣，即采用對角矩陣解耦後，系統(tǒng)的構(gòu)造如下圖所示：解耦前後系統(tǒng)的simulink階躍仿真框圖及成果如下：1.不存在耦合時的仿真框圖和成果

圖a2.系統(tǒng)耦合Simulink仿真框圖和成果圖b對角矩陣解耦後的仿真框圖和成果圖c對比圖a和圖b可知，本系統(tǒng)的耦合影響重要體目前幅值變化和響應(yīng)速度上，但影響不明顯。其實不進行解耦通過閉環(huán)控制仍有也許獲得規(guī)定品質(zhì)。

對比圖a和圖c可知，采用對角解耦器後系統(tǒng)的響應(yīng)和不存在耦合成果同樣，采用對角實現(xiàn)了系統(tǒng)解耦。解耦後系統(tǒng)可按兩個獨立的系統(tǒng)進行分析和控制。(3).控制器形式選擇與參數(shù)整定

通過解耦，原系統(tǒng)已可當(dāng)作兩個獨立的單輸入輸出系統(tǒng)。考慮到PID應(yīng)用的廣泛性和系統(tǒng)無靜差規(guī)定，控制器形式采用PI形式。

PI參數(shù)整定通過解耦的兩個單輸入輸出系統(tǒng)進行，整定采用試誤法進行。

當(dāng)x1y1通道Kp=20，Ki=3時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖：當(dāng)x2y2通道Kp=35，Ki=5時系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖：(4）系統(tǒng)仿真

采用對角矩陣解耦時，控制系統(tǒng)如下圖所示：為了比較解耦