过程控制仿真单回路串级解耦纯滞后

1、过 程 控制 仿真实验一对象特性的了解和测试院系：化工学院化工机械系 班级：10自动化（2） 姓名：窦洋 学号：1020203022 日期：2013年11月17日实验目的:(1) 倉握一阶系统的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线;(2) 根据实验得到的阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K.T. T和传递函数:实验原理:一阶系统数学模型为Wo(s)Qi(s)RCs + 1 Ts + 1式屮T为时间常数，T=Rt： K为放大系数，K=R； C为容量系数。若令Q1(S)Y作阶跃扰动，即Q1(S)=，x尸常数，则上式可改写为SKxoH(S)=K/T X 卫二S +丄 S ST对上

2、式取拉氏反变换得h(t)=Kxo(l-*) 当1_8时，h(8)-h (0) =Kxo，因而有h (oo)-h (0)=输出稳态值一阶跃输入当 t二T 时，则有 MT)=KXo(l-e)=0.632KXo=0.632h(oo)式(1)表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1所 示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。也可由 坐标原点对响应曲线作切线OA.切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间 常数T,由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。(a)图1 一阶系统的阶跃响应曲线如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图1(b),在此曲线的拐

3、点 D处作一切线，它与时间轴交J：B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间T , BC为对象的时间常数T,所得的传递函数为：H止1+Ts参数计算及传递函数确定：取给定值阶跃变化后部分的曲线，并作拐点切线，求出时延T和时间常数T。7=547S T =53S9/0/，113OK二h(8)-h(O)/xO二(84. 6-27. 91)/3=18. 90189广189e-53H(S)I 1+Ts1+547S过程控制仿真实验单回路控制器参数整定院系：化工学院化工机械系班级：10自动化（2）姓名：窦洋学号：1020203022R期：2013年H月17日实验原理典型的PID控制结构如图

4、所示。K式中，Kp为比例系数；瓦为积分系数：Kd为微分系数；为积分时间常Kj数.乙=鱼为微分时间常数；简单來说，PID控制各校正环节的作用如下： Kp（1）比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立 即产生捋制作用.以减少偏差C（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T E越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太 大Z前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速 度，减少调节时间。仿真：构造图1所示的单回路反馈系统的仿真模型011m控制对象模型:In

5、11A141146*1F105+11叶110s*1Transfer FenTransfer FcnlTr nsftr Fcn2Trgmftf Fcn3XjDOutl用衰减曲线法整定调节器参数:先将调节器改成纯比例作用T =并将比例增益置丁较小的数值，然后将系统投入闭环运行。启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化 曲线。逐渐增加比例增益，观测不同比例增益下的调节过程，直到调节过程出现衰减率为0.75的振荡为止，记录此时的比例带d和系统的临界振荡周期表21衰减曲线法整定参数计算表控制规律调节器参数dTp24PI1.2q0.51；PID0.80.31；O.lT,衰减曲线:将调节器改成纯比例

6、积分，KMb K,=0o调整Kp直到调节过程衰减率为0.75 的震荡为止，此时Kp=L87 O如图由图可知 & = =0.535, T78s Kp由衰减曲线法整定参数计算表及以下公式关系Kp瓦T =二， X = &Kp得到调节器的参数：Kp=233, Kp =0.09996.=18.174实验心得:1、P控制规律控制及时但不能消除余差，I控制规律能消除余差但控制不及 时且一般不单独使用，D控制规律控制很及时但存在余差且不能单独使用。2、比例系数越小，过渡过程越平缓，稳态误差越大；反之，过渡过程振荡 越激烈，稳态误差越小：若Kp过大，则可能导致发散振荡。Ti越大，积分作用越 弱，过渡过程越平缓，

7、消除稳态误差越反之，过渡过程振荡越激烈，消除稳 态误差越快。Td越大，微分作用越强，过渡过程趋于稳定，最大偏差越小；但 Td过大，则会增加过渡过程的波动程度。3、PID控制器校正后系统响应速度最快，但超调量最大。过程控制仿真实验-串级控制系统参数整定院系：化工学院化工机械系 班级：10自动化（2） 姓名：窦洋 学号：1020203022R 期：2013 年 H 月 17 R串级控制系统的原理:串级控制在结构上形成的两个闭环，一个在闭环里面，成为内环、副环或副 控回路，其控制器为副控制器，在控制中起“粗调”的作用：一个闭环在外面, 成为外环、主环或主控回路，其控制器称为主控制器，在控制中起4细调

8、”作用, 最终被控最满足控制要求。主控制器的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出则去控制被控对象。图1为串级控制系统的结构图。仿真：设被控对象的传递函数为:g) _ (s+ 1)(S +3)(28+ 1)其中主控对象为:g) = (S + l)(S-3)副控对象为:二次扰动为有限带宽的白噪声，一次扰动为阶跃信号。在单回路控制系统中得到 的输出响应仿真图如下，其Simulink仿真模型结构图见图：supHok)bwPiDCortroHef J p 1 1 1 11Tfiro-CMw 1TTarjfer FcSocpcHeldtWitt NGic|lH采用串级控制，外环采样时间二0.5s：内

9、环采样时间T=0.1s :Simulink仿真, 仿真图见附录图2,得到输出响应图如下:12卜askO.Gkci48101214161820由仿真结果可见由于副控回路的存在，很好的控制了二次扰动对系统的影响，说 明采用串级控制能够有效的克服进入副控回路的干扰。结论:根据以上的Simulink仿真的结果可以得到以下结论:1. 本实验釆用了串级控制系统，加入了副控制回路，与单回路控制系统相比,使控制系统的稳态误差更小，能够适应更髙的控制精度要求，从而适应能力增强:2. 本实验中，副控制器的增益选的比较大，从而使副控回路具有较快的响应速 度，能够快速有效地克服进入副控制回路的二次干扰。3. 由丁-副控制器的增益选的比较大，因此，副控回路起到了改善对象动态特性 的作用，也可以通过加大主控制器的增益，提髙系统的匸作频率：过 程