单回路串级控制综合设计型实验初版.docx

综合性设计型实验报告系别：化工机械系 班级： 10自动化（1） 20132014 学年第 一 学期学号1020301005姓名张曼丽指导教师王淑钦老师课程名称 综合性设计型实验实验名称单回路与串级控制系统仿真研究实验类型设计性实验地点青海大学实验时间2013.12.16-2013.12.27实验内容：（简述）1.查阅资料确定加热炉出口温度系统对象的数学模型。2.设计单回路与串级控制系统控制器。3. 利用matlab simulink软件进行对象仿真研究，包括建立仿真图和进行控制系统仿真，得出仿真结果。4. 通过对仿真结果的分析研究，比较两种控制系统的优劣。实验目的与要求：1. 熟悉matlab simulink软件，利用该软件对实验对象进行仿真。2. 掌握系统分析、设计过程。3. 掌握单回路与串级控制系统的原理和实现方法。4. 进行系统仿真，通过对单回路与串级控制系统进行比较分析。设计思路：（设计原理、设计方案及流程等）本实验以加热炉出口温度为对象进行设计分析，通过单回路和串级两种控制方式，进行控制系统设计。加热炉出口温度的数学模型 主对象的传递函数为： 副对象的传递函数为：令x=6，则 1/(30s2+11s+1)1. 单回路控制系统的设计控制器的选择： 被控变量是工艺操作的主要指标（温度），允许波动的范围很小，一般要求无余差，主控制器应选pi控制规律。温度控制器控制阀炉膛炉膛壁温度检测、变送仪表加热炉出口单回路控制系统原理2. 串级控制系统的设计主、副控制器的选择主控制器的选择：主被控变量是工艺操作的主要指标（温度），允许波动的范围很小，一般要求无余差，主控制器应选pi控制规律。副控制器的选择: 副被控变量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度，提高控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制器只要选p控制规律就可以了。主控制器副控制器调节阀炉膛出口主检测、变送仪表副检测、变送仪表炉膛壁串级控制原理图关键技术分析：1. 控制器的选择2. 进行完成单回路与串级控制系统的仿真实验过程：（包括主要步骤、成果介绍、代码分析、实验分析等）1、 串级控制系统参数整定及仿真过程1. 控制器参数整定主、副控制器的传递函数分别为： ，,根据常见对象的副控制器比例带的经验法，副控制对象为温度时，其比例带为 2060，增益kc2为1.75.0，在本设计中，选取kc2=3然后在副回路已经闭合的情况下按单回路控制器参数整定方法整定主控制器，本方案采用衰减曲线法整定，考虑到4：1衰减太慢，因此采用10：1衰减曲线法整定主控制器参数。（取kv=1）衰减曲线法是在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至10：1衰减过程为止。这时的比例度称为10：1衰减比例度，用s表示之。相邻两波峰间的距离称为10：1衰减周期ts。根据s和ts，运用表所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。串级控制（未加入积分部分）其中，kc2在1.75.0中间取值3.0kc1的值从大到小取值，采用10：1衰减曲线法simulink中，如图，断开积分输出线，观察输入曲线，得到10:1在kc1=8的时候，在t1=8.37s出现第一峰值，为1.14。在t2=22.25s出现第二峰值，为0.89。曲线稳定值为0.25。符合10:1衰减曲线。ts=13.88s。ti=2ts=27.76s.修改kc1的值设置为8/1.2=6.7，1/ti的值设置为1/27.76=0.036，将积分器的输出连线连上串级控制（加入积分部分）串级系统，整定结果：kc1=6.7,kc2=3,ti=27.76s，kv=12. 单回路控制系统参数整定及仿真过程单回路按照4：1衰减曲线整定。在断开积分部分的情况下：其中kc=5,如图，t1=10s时，第一峰值：1.19, t2=25.57s，第二峰值0.91，稳定值0.28，,ts=15.57 ti =2ts=31.14单回路控制（未加入积分部分）整定，得到1/ti=0.032，kc=5/1.2=4.167，接入积分部分单回路控制（加入积分部分）实验总结：单回路与串级控制系统性能分析比较串级系统输出曲线第一峰值出现时间明显比单回路系统更早，缩短了上升时间，减小了对象时间常数，系统快速性增强。串级系统输出曲线的调节时间缩短，使系统更早进入稳定状态，系统振荡幅度明显得到改善，增强了系统的稳定性。 但串级控制系统也存在一些不足：只有当中间变量能够检测出来时，才可能采用串级控制系统，但许多过程在结构上是不容易以这种方式加以分割的；串级控制系统比单回路控制系统需要更多的仪表，串级控制系统的投放和整定也比单回路控制系统复杂些。设计心得在此次课程设计的过程中，进一步熟悉了simulink的使用方法。也更为深入的理解串级控制，单回路控制，比例积分控制，比例控制的区别。串级