热工控制系统---实验二--单回路控制系统参数整定

实验二实验二 单回路控制系统参数整定单回路控制系统参数整定 一 实验目的一 实验目的 1 了解被控对象的特性对控制系统控制品质的影响 2 掌握不同调节规律的调节器 P PI PID 对控制系统控制品质的影响 3 熟悉 MATLAB 软件中 Simulink 工具箱的使用方法及在控制系统设计仿真中的应用 4 掌握单回路控制系统中不同调节规律的调节器的参数整定方法 二 二 Simulink 工具箱简介工具箱简介 1 Simulink 工具箱的启动与主要模块介绍工具箱的启动与主要模块介绍 启动 MATLAB 软件 在主程序窗口中点击 Simulink 按钮 可以打开 Simulink 工 具箱的主窗口 如下图所示 图 1 1 MATLAB 主程序窗口 图 1 2 Simulink 工具箱主窗口 Simulink 按钮 新建按钮 功能模块组列表功能模块 在 Simulink 工具箱的主窗口中点击 新建按钮 可以打开一个未命名的 Simulink 控制系统仿真界面 在界面中可以如图 1 3 所示 图 1 3 未命名的 Simulink 控制系统仿真界面 在上图所示的界面中可以根据需要 使用 Simulink 工具箱中的各功能模块组成控制 系统方框图 对控制系统进行仿真研究 本次实验中用到的主要功能模块如下 增益模块增益模块 Gain 在图 1 2 所示的 Simulink 工具箱主窗口的功能模块组列表中点击 Math Operations 功 能模块组 会在窗口右边出现对应的各功能模块 用鼠标选择其中的增益模块 Gain 并按住左键将其拖到图 1 3 所示的 Simulink 控制系统仿真界面中 即可以得到一个增益 模块 Gain 单击增益模块 Gain 下方的模块名称 Gain 可以对其名称进行修改 双击增益模块 Gain 可以打开增益模块 Gain 的参数设置对话框如下图所示 图 1 4 增益模块 Gain 参数设置对话框 增益模块 Gain 的功能为将输入值与增益值相乘 并将乘积输出 在对话框中可 以对增益值 Gain 进行修改 加 减 法模块 加 减 法模块 Sum 在图 1 2 所示的 Simulink 工具箱主窗口的功能模块组列表中点击 Math Operations 功 能模块组 会在窗口右边出现对应的各功能模块 用鼠标选择其中的加 减 法模块 增益值 Sum 并按住左键将其拖到图 1 3 所示的 Simulink 控制系统仿真界面中 即可以得到 一个加 减 法模块 Sum 双击加 减 法模块 Sum 可以打开加 减 法模块 Sum 的参数设置对话框如下图所示 图 1 5 加 减 法模块 Sum 参数设置对话框 加 减 法模块 Sum 的功能为对两个输入数值进行加 减 法运算 并将计算 结果输出 此模块在初始状态下对两个输入值进行加法运算 在参数设置对话框中把第 二个 改为 可以把模块切换到减法运算 在运算符号框中增加新的 或 可以使加 减 法模块 Sum 对多个输入值进行运算 通过参数设置对话框中的模块形状下拉菜单 可以将加 减 法模块 Sum 的形 状由默认的圆形改为矩形 积分运算模块 积分运算模块 Integrator 在图 1 2 所示的 Simulink 工具箱主窗口的功能模块组列表中点击 Continuous 功能模 块组 会在窗口右边出现对应的各功能模块 用鼠标选择其中的积分运算模块 Integrator 并按住左键将其拖到图 1 3 所示的 Simulink 控制系统仿真界面中 即可以 得到一个积分运算模块 Integrator 其功能为对输入值进行积分运算 并将计算结果输 出 微分运算模块 微分运算模块 Derivative 在图 1 2 所示的 Simulink 工具箱主窗口的功能模块组列表中点击 Continuous 功能模 块组 会在窗口右边出现对应的各功能模块 用鼠标选择其中的微分运算模块 Derivative 并按住左键将其拖到图 1 3 所示的 Simulink 控制系统仿真界面中 即可 以得到一个微分运算模块 Derivative 其功能为对输入值进行微分运算 并将计算结果 输出 一阶惯性环节仿真模块 一阶惯性环节仿真模块 Transfer Fcn 在图 1 2 所示的 Simulink 工具箱主窗口的功能模块组列表中点击 Continuous 功能模 块组 会在窗口右边出现对应的各功能模块 用鼠标选择其中的一阶惯性环节仿真模块 Transfer Fcn 并按住左键将其拖到图 1 3 所示的 Simulink 控制系统仿真界面中 即 运算符号 模块形状 下拉菜单 可以得到一个一阶惯性环节仿真模块 Transfer Fcn 双击一阶惯性环节仿真模块 Transfer Fcn 可以打开其参数设置对话框如下图所示 图 1 6 一阶惯性环节仿真模块 Transfer Fcn 参数设置对话框 在参数设置对话框中 放大系数矩阵中的数值代表模块传递函数分子项的放大系数 分母多项式系数矩阵中第一个元素代表模块传递函数分母中 s 项的系数 第二个元素代 表分母中的常数项 如将放大系数矩阵改为 0 5 将分母多项式系数矩阵改为 20 3 则修改后的一阶惯性环节仿真模块 Transfer Fcn 如下 阶跃信号输出模块 阶跃信号输出模块 Step 在图 1 2 所示的 Simulink 工具箱主窗口的功能模块组列表中点击 Sources 功能模块 组 会在窗口右边出现对应的各功能模块 用鼠标选择其中的阶跃信号输出模块 Step 并按住左键将其拖到图 1 3 所示的 Simulink 控制系统仿真界面中 即可得到阶 跃信号输出模块 Step 双击阶跃信号输出模块 Step 可以打开其参数设置对话框如下 图所示 放大系数矩阵 分母多项式 系数矩阵 图 1 7 阶跃信号输出模块 Step 参数设置对话框 在参数设置对话框中 可以通过修改相应的数值 改变阶跃信号产生的时间 信号 的初始值和最终值 响应曲线显示模块 响应曲线显示模块 Scope 在图 1 2 所示的 Simulink 工具箱主窗口的功能模块组列表中点击 Sinks 功能模块组 会在窗口右边出现对应的各功能模块 用鼠标选择其中的响应曲线显示模块 Scope 并 按住左键将其拖到图 1 3 所示的 Simulink 控制系统仿真界面中 即可得到一个响应曲线 显示模块 Scope 双击响应曲线显示模块 Scope 可以打开其响应曲线显示器如下 图所示 图 1 8 响应曲线显示器 在响应曲线显示器中 横坐标为仿真时间 默认的时间长度为 10s 纵坐标为响应 曲线的幅值 完成仿真后 在响应曲线显示器中将显示出控制系统的响应曲线 点击 放大镜按钮 可以自动以最佳比例显示响应曲线 2 控制系统方框图的建立 控制系统方框图的建立 阶跃信号 发生时间 阶跃信号 初始值 阶跃信号 最终值 放大镜按钮 进行仿真实验前 需要将已经拖到图 1 3 所示的 Simulink 控制系统仿真界面中的各 功能模块按一定顺序用信号线连接在一起 以建立控制系统的方框图 功能模块的连接功能模块的连接 任何一个功能模块均有一个或多个信号输入端或信号输出端 以一阶惯性环节仿真 模 块 Transfer Fcn 为例 将鼠标指针放在功能模块的信号输出端 此时鼠标指针变为十字形 图 1 9 按 住左键拖动鼠标指针到另一个模块的信号输入端 当鼠标指针变为十字形时松开左键 即可以建立连接两个功能模块的信号线 图 1 10 连接过程如下图所示 图 1 9 图 1 10 信号分支线信号分支线 在建立反馈回路或一个信号需要同时送往多个功能模块时 需要在信号线上引出分 支 将鼠标指针放在信号线的合适位置 即分支引出点 点击右键 按住右键拖动鼠标 指针 在需要转弯出松开右键 即出现一条带箭头的虚线 图 1 11 鼠标指针放在虚 线箭头处 此时鼠标指针变为十字形 图 1 12 按住左键拖动鼠标指针到所需功能模 块的信号输入端松开左键即可 图 1 13 过程如下图所示 图 1 11 图 1 12 图 1 13 3 控制系统的仿真 控制系统的仿真 在图 1 3 所示的 Simulink 控制系统仿真界面中建立了控制系统的方框图后 即可以 对控制系统进行仿真 以一个简单的单回路比例控制系统为例 首先在 Simulink 控制系 统仿真界面中建立控制系统的方框图如下 信号输出端信号输入端 图 1 14 单回路比例控制系统方框图 点击 Simulink 控制系统仿真界面中的 Simulation 下拉菜单 在下拉菜单中点击 Configuration Parameters 出现下图所示的仿真参数设置对话框 图 1 15 仿真参数设置对话框 在仿真参数设置对话框中 通过修改仿真结束时间 可以设置仿真时间长度 本例 中将结束时间设置为 100s 完成以上设置后 点击图 1 14 所示的 Simulink 控制系统仿真界面中的 仿真启动 按钮 开始对控制系统进行仿真 仿真结束后 双击方框图中的响应曲线显示模块 Scope 可以在打开的响应曲线显示器中显示出响应曲线 点击响应曲线显示器中的 放大镜按钮 得到如下图所示的响应曲线 仿真启动按钮 仿真开始时间仿真结束时间 图 1 16 响应曲线 三 实验原理三 实验原理 本实验利用 MATLAB 软件中 Simulink 工具箱中的功能模块组成具有不同调节规律 的单回路控制系统 并对其进行仿真研究 控制系统方框图如下图所示 调节器调节器 1 比例调节器 P 将虚线框内积分系数 Ki 增益模块和微分系数 Kd 增益模块中的 增益值 Gain 均设为 0 此时调节器为比例调节规律 其传递函数为 1 Tp WsK 式中 比例带 比例系数 p K1 p K 2 比例积分调节器 PI 将虚线框内微分系数 Kd 增益模块中的增益值 Gain 设为 0 此时调节器为比例积分调节规律 其传递函数为 调节器 被控对象 内扰外扰 图 1 17 单回路控制系统方框图 外扰通道 1 1 1 111 Tpi i WsKK Tss 式中 积分时间 i T 积分系数 i K1 ii KT 3 比例积分微分调节器 PID 保留虚线框内的三个增益模块 此时调节器为比例积 分微分调节规律 其传递函数为 111 Tdpid i WsT sKKK s Tss 式中 微分时间 d T 微分系数 d K dd KT 被控对象被控对象 在图 1 17 所示的单回路控制系统中 由三个一阶惯性环节仿真模块 Transfer Fcn1 Transfer Fcn3 串联组成一个三阶惯性被控对象 其传递函数为 3 1 201 W s s 内扰内扰 在图 1 17 所示的单回路控制系统中 采用阶跃信号输出模块作为内扰的扰动源 在阶跃信号输出模块 Step 的参数设置对话框中 可以设置内扰发生的时间和幅值 外扰外扰 在图 1 17 所示的单回路控制系统中 采用阶跃信号输出模块作为外扰的扰动源 并采用三个一阶惯性环节仿真模块串联组成具有三阶惯性的外扰通道 其传递函数为 3 1 301 r Ws s 四 实验要求四 实验要求 1 在 MATLAB 软件的 Simulink