控制系统设计与仿真实验报告

电气与自动化工程学院 控制系统设计与仿真实验报告控制系统设计与仿真实验报告 姓 名 裴加坤 专 业 自动化专业 学 号 3010203234 同 组 者 汪志华 赵昌通 宋轶楠 1 了解 Matlab 的使用环境 掌握基本的 Matlab 编程语法和语句 2 了解 Simulink 的使用环境 掌握 Simulink 的模块化编程步骤 3 对所有过程控制系统对象进行分析 分析所有参数的变化情况 控制对象共分为单容和多容对象 其平衡特性分为自衡和非自衡以及滞 后等过程 这里主要对单容和多容在自衡和非自衡的条件下进行研究 单容自衡系统 实验结果 K 值的改变只影响系统的最终幅值 而与系统的特性无关 K 值越大 系 统的最终稳定值越高 改变 T 值 实验结果 可以看出 在相同的阶跃输入作用下 时间常数越大 系统达到稳态所 需的时间越长 单容非自衡系统 实验结果 T 值越大 系统上升的速度越慢 多容自衡系统 实验结果 多容非自衡系统 实验结果 自衡系统最终会达到稳定 T 值的不同 系统达到稳定的时间也不同 非自衡系统不会达到稳定状态 4 对单回路控制系统的四个部分进行详细仿真 执行器 由图像可以看出 时间常数较小的执行器对偏差变化的响应速度较快 并 且不会产生较大的超调 被控对象 被控对象参数设定不同 系统响应的曲线也不同 检测变送 设定检测变送环节的比例系数 由图像可知 系统输出与变送器的比例 系数成反比 5 深入理解 PID 控制的原理 比例 积分 微分控制简称 PID Propotional Integrate Differential 控制 它是工业生产过程中最常用的控制算法 PID 控 制具有原理简单 适应性强 控制效果好的特点 理想的模拟式 PID 控 制算法为 6 1 0 dt tde Tdtte T teKtu D t I p 式中 Kp 比例放大系数 Ti 积分时间常数 Td 微分时间常数 理想 PID 控制器的传递函数为 1 1 sT sT KsG D I p 7 掌握 PID 三个参数对控制系统性能的影响 P 作用的输出与偏差成比例 称为比例控制作用 特点 比例调节对系统的干扰有及时而有力的抑制作用 比例调节存在余差 不能做无静差调节 随着比例增益的增大 系统的稳定性变差 I 作用的输出与偏差的积分成比例 称为积分控制作用 特点 只要被控量存在偏差 积分输出就会随时间不断增加 当偏差为零 时 控制器才会停止积分 保持一定的输出值不变 积分控制使过渡过程的动作迟缓 动态品质变坏 过渡过程时间延长 甚 至造成系统不稳定 D 作用的输出与偏差的微分成比例 称为微分控制作用 特点 微分作用反映系统偏差的变化率 能预见偏差变化趋势 因此能产 生超前的控制作用 在稳态时微分部分输出为零 因此 D 作用不能消除稳态误差 微分对噪声信号有放大作用 因此过强的微分作用对系统抗扰性能不利 对于大时滞系统 微分控制不能改善系统品质 P 控制 分别取 K 的值为 5 10 15 由曲线可知 比例调节存在稳态误差 PI 控制 取 K 10 I 5 10 15 由图像可以看出 随着积分时间常数减小 积分作用增强 系统稳定性 降低 振荡加剧 调节时间也明显变大 而积分时间常数如果太大 积 分作用太小 系统需要很长的过渡过程才能消除稳态误差 PID 控制 由图像可以看出 随着微分时间常数增大 微分作用增强 系统的过渡 过程变得平缓 超调量减小 调节时间也明显降低 但加入微分作用要 适当 过大或过小的微分作用都会使系统的性能下降 8 深入理解根轨迹法的基本原理 9 掌握根轨迹的绘制方法 增益的选择 稳态误差的消除措施等 增益 rlocfind 深入理解频域响应法的基本原理 10 掌握 Bode 图的绘制方法 带宽频率的选择 控制系统中的信号可以表示为不同频率正弦信号的合成 控制系统的频率 特性反映正弦信号作用下系统响应的性能 应用频率特性研究线性系统的经典 方法称为频域分析法 令传递函数中的 得到系统频率特性 sG js j eAjG 频率特性主要有三种表示方法 Nyquist 曲线 Bode 图 Nichols 图 11 基于 Bode 图法调整控制系统的动态和稳态性能指标方法 12 串级控制系统的设计 与单回路比较 一次干扰下 串级系统对一次扰动的抗扰能力与单回路系统相差不大 其原因是副回路对一 次扰动不起作用 不能提高对一次扰动的响应频率 串级控制系统改善了对象的动态特性 减小了被控对象的等效时间常数 大大增强了对二次扰动的克服能力 对一次扰动有较好的克服能力 对副回路 参数变化具有一定的自适应能力 13 前馈控制系统设计 与单回路比较 由图像对比可知 采用前馈补偿作用后 对单一可测不可控扰动的克服能 力大大加强 上述系统实际为前馈 反馈复合控制系统 由前馈控制对可测扰 动进行补偿 由反馈控制消除其他扰动带来的影响 大大提高了系统的动态和 稳态性能 前馈控制也存在着很大的局限性 完全补偿难以实现 只能克服可测不可 控的扰动等 因此前馈控制不宜单独使用 往往结合反馈系统 串级系统使用 由于参数选择上一些问题 前馈的曲线没有产生直线补偿 14 其它控制系统设计 与单回路比较 比值 15 数字 PID 控制算法的实验研究 设计一设计一 被控对象的实验建模被控对象的实验建模 一 设计要求一 设计要求 1 了解水槽控制系统的结构及组成 本次课程设计采用的水槽控制系统为单回路控制系统 被控对象为单容自 衡过程 被控变量为水槽中的液位 控制变量为水槽入水口流量 变送器采用 差压变送器测量液位高度 执行器采用电动调节阀 控制器采用 Honeywell 数 字调节器 结构图如下图所示 电动阀控制器水槽 差压 变送器 m t u t y t e t r t q t 2 掌握响应曲线法建立数学模型 u t y T0 D t A C B y y 0 采用响应曲线法对被控过程进行建模 考虑过程控制系统的复杂性 惯性 时间常数大 纯滞后大 非线性明显 在这里将被控对象 变送器和执行器作 为广义对象进行整体建模 不再考虑每个部分单独存在时的数学模型 实验中 待水槽中液位稳定后 使电动调节阀开度作阶跃变化 幅度为最 大开度的 10 测定系统输出量随时间而变化的曲线 即得阶跃响应曲线 为 减少干扰对建模过程的影响 需多次重复测试 并且要分别测得施加正 反方 向的阶跃信号时系统阶跃响应曲线 3 熟悉 Honeywell 数字调节器的用法及调试 Honeywell UDC3300 数字调节器 以下简称调节器 功能十分强大 在这 里仅介绍与本次课程设计相关部分的使用方法 调节器有两种操作模式 手动 MAN 自动 A 手动模式下可以直接控 制调节阀的相对开度 0 100 自动模式下可以设定 PID 参数及给定值 设置 步骤如下 在显示模式下按 SET UP 键 再按 FUCTION LOOP 1 2 键进入 PID 参 数设置 首先设置比例带 PROP BD OR GAIN 范围为 0 1 9999 按上下键进 行调节 设置好后再次按下 FUCTION LOOP 1 2 键设置微分时间常数 RATE MIN 范围为 0 00 10 00min 再次按下 FUCTION LOOP 1 2 键设置积分时间常 数 范围为 0 02 50 00min 至些参数设置完毕 按下 LOWER DISPLAY 键切换 回显示模式 4 对整个水槽控制系统有一个整体了解 被控对象 本实验系统的被控对象是二个水槽 可构成一阶对象和二阶对 象 执行器 Honeywell ML7420 电动调节阀 连接线性阀 从开度 0 变化至 100 的过渡时间为 60 秒 2 10V 输入信号 2 10V 位置反馈信号 本次课程设 计未对阀门开度进行反馈控制 阀门开度的控制为开环控制 控制器 采用 Honeywell UDC3300 通用数字式控制器 控制器输出信号为 分段连续模拟信号 周期约为 0 2 秒 变送器 DBC 型电动差压变送器 本仪表在测量和自动调节系统中作检测 环节 与节流装置配合可连续可以测量两个不同比重液体的界面 并将被检测 量的变化转变成为 4 20mADC 统一电流信号输出 测得 A D 转换单元的采样周 期约为 1 秒 5 单回路控制系统的最佳参数的计算方法 可以采用前面叙述的图解法确定参数 为保证精度 本次课程设计采用计 算法确定一阶环节的特性参数 1 求静态放大系数 无量纲 0 K minmax minmax 0 ppp yyy K 2 求时间常数 0 T 先将阶跃响应曲线标准化 得相对值 在标准化曲线上找到 y ty ty 0 632 与 0 33 所对应的时间与 则时间常数 1 t 2 t 2 5 2 21 0 tt T 3 求纯滞后时间方法与前面的图解法相同 0 最后得到广义对象的开环传递函数 s e sT K sG 0 1 0 0 0 二 设计步骤二 设计步骤 1 设计控制系统接线图 联接导线 记录仪参数设置 首先调整好记录仪零点 设置量程为 10v 设置走纸速度 12mm min 注 两个电阻均为 500将 4 20mA 电流信号转换为 2 10V 电压信号 电路接线示意图如下图所示 控制器电动阀水槽 变送器 记录仪 500 500 2 给仪器上电 打开水泵 同时缓慢打开管道上的阀门 3 把调节器调至手动状态 调节电动阀开度至一定开度 等待液位稳定 4 打开记录仪开始记录 当液位稳定后 突然改变调节器的输出 使调节阀的 开 度突然增加 10 5 用记录仪记录下液位的变化情况 直到液位稳定 6 重复步骤 3 到 6 得到同一工作点的另一组阶跃响应曲线 7 用得到的四条阶跃响应曲线计算出一阶水槽的数学模型 三 实验结果三 实验结果 不得不遗憾的说 本次实验我们没有取得一条很好的结果 所得出的曲线 不是直线 就是有问题的曲线 在实验中 我们遇到了很多的问题 比如说 我们的液位为什么总是达不到预设的稳定值 阀门开度在突然改变时 为什么 不工作 导致曲线总是出现震荡的结果 还有就是所得出的曲线为什么不是所 预想的一阶惯性曲线 等等 这些问题导致了我们的曲线没有一条是符合要求 的 回来之后 我们经过了深刻的分析 我们觉得 导致这么多问题的第一个 原因 是我们刚开始工作点选择的问题 我们刚开始将阀门开度设为 15 等 待液位稳定后 再加 10 的开度 由 15 到 25 所得出的曲线是一条直线 但 是 在接下来的实验中 我们改变了起始工作点 但是由于操作的原因 导致 记录仪的走纸速度在一段时间内为 0 这也导致了我们唯一的比较好的曲线也 不能用了 总而言之 实验的失败 有很多的因素 大部分是由于我们的操作的不当 正所谓 吃一堑长一智 有失败 才会吸取教训 找到自己的不足 继而加以 改正 在以后的工作学习中才能取得更好的成绩 下面是我们几组的失败案例 以及一组经过初略还原之后的一阶惯性阶跃 曲线 设计二设计二 一阶单回路控制系统参数整定一阶单回路控制系统参数整定 一 设计要求一 设计要求 1 熟悉实验系统 了解各仪表的功能及有关操作 略 2 利用所提供的实验设备 设计组成一个一阶单回路液位控制系统 实验室提供的实验设备包含以下几个部分 水槽 A 水槽 B 差压变送器 A 差压变送器 B 调节阀 A 调节阀 B 水泵 A 水泵 B 控制器 A 控制器 B 其中变送器 A 未使用 变送器 B 与水槽 A 连接 用来测量 A 中的液位高度 水泵 A B 的出口管道分别接调节阀 A B 调节阀 A B 的出水口均与 A 连接 为组成一阶单回路液位控制系统 选用水槽 A 变送器 B 调节阀 A 控制器 B 构成系统 实验装置如下图所示 差压变送器B 电动调节阀A 液位显示B 水泵A 数字调节器B 图图 2 12 1 实验装置示意图实验装置示意图 3 了解闭环控制系统的特性 设广义对象的开环传递函数为 控制器传递函数为 则系统闭 0 sG sGc 环传递函数为 闭环系统的稳态性能 动态性能与被控 1 0 0 sGsG sGsG s c c 对象特性及控制器参数选择密切相关 4 熟练掌握单回路控制系统的参数整定过程 工程整定方法有很多种 有临界比例度法 衰减曲线法 响应曲线法 本 实验中主要应用响应曲线法 设计一已经通过响应曲线法得出了广义对象的数 学模型及参数 T0 K0值 在闭环系统中 置控制器积分时间为最大 微分 时间为零 比例度取较大数值反复做给定值扰动试验 并逐渐减小比例度 直 至记录曲线出现 4 1 的衰减为止 这时的比例度称为 4 1 衰减比例度 两 s 个相邻波峰间的距离称为 4 1 衰减周期 应用经验公式来求取最佳 PID 参数 s T Ti minTD min P K0 Ts 100 PI 1 1K0 Ts 100 3 3 PID 0 85K0 Ts 100 2 0 5 5 了解 PID 各参数在调节过程中的作用 上升时间调节时间超调量稳态误差系统稳定性 P 增大减小增大增大减小降低 I 增大减小增大增大消除降低 D 增