过程控制实验报告

1、过程控制课程实验报告 实验一：串级系统的仿真控制1. 实验要求：假设一串级控制系统的结构框图为： 其中：将传递函数带入并绘制串级控制系统的Simulink结构图：2. 执行程序：clc; %清除命令窗口clear all; %清除所有记录a,b,c,d=linmod('chuanji'); %加载simulink模型sys=ss(a,b,c,d); %建立状态空间表达式figure(1); %绘制图形1step(sys); %获得阶跃响应曲线 hold on %绘图保持y,t=step(sys); %y为纵轴，t为横轴的阶跃曲线mp,tf=max(y); %返回峰值及峰值时间c

2、s=length(t); %获得稳态时间yss=y(cs); %获得稳态值sigma=100*(mp-yss)/yss; % 计算超调量tp=t(tf); %计算峰值时间%计算调节时间i=cs+1;n=0;while n=0, i=i-1;if i=1 n=1;elseif y(i)>1.05*yss %判断响应值是否大于稳态值 %的1.05倍 n=1;endendt1=t(i);cs=length(t);j=cs+1;n=0;while n=0, j=j-1; if j=1 n=1; elseif y(i)<0.95*yss %判断响应值是否小于稳态值的0.95倍 n=1; en

3、d endt2=t(j); If t2<tp, if t1>t2, ts=t1; end elseif t2>tp, if t2<t1, ts=t2; else ts=t1; end endsigma=sigma(:,:,1) %显示超调量tp=tp(:,:,1) %显示峰值时间ts %显示调节时间3.实验结果及性能指标 （1）.实验结果sigma = 32.3442tp = 58.4907ts = 90.9393（2） .与单回路系统的对比Simulink仿真图性能指标sigma = 73.4939tp = 69.2071ts = 820.16444.实验结论： 1.

4、（从回路的个数分析）由于串级控制系统是一个双回路系统，因此能迅速克服进入副回路的干扰，从某个角度讲，副回路起到了快速“粗调”作用，主回路则担当进一步“细调”的功能，所以应设法让主要扰动的进入点位于副回路内。2.能改善被控对象的特性，提高系统克服干扰的能力。由于副回路等效被控对象的时间常数比副对象的时间常数小很多，因而由于副回路的引入而使对象的动态特性有了很大的改善，有利于提高系统克服干扰的能力。3.提高了系统的控制精度。实验二：专家PID仿真控制1. 实验要求：假设一专家控制系统的传递函数为：G(s)=采用专家系统PID控制，输入信号为阶跃信号，取采样时间为1ms，用MATLAB仿真模拟此模型

5、的阶跃响应过程。2. 专家PID控制过程分析：专家控制的实质是基于受控对象和控制规律的各种知识，并以智能的方式利用这些知识来设计控制器。利用专家经验来设计PID参数便构成了专家PID控制。（1）首先通过传递函数离散取样，采样时间间隔为1ms。（2）然后取PID初始值：kp=0.6; ki=0.03; kd=0.01;（需要根据传递函数调整）（3）二阶系统阶跃过程分析如下，取阶跃信号：令e(k)表示离散化的当前采样时刻的误差值，e(k-1)、e(k-2)、分别表示前一个和前两个采样时刻的误差值，则有根据误差及其变化，可设计专家PID控制器，该控制器可分为5种情况设计：时，实施开环控制。：当时由控

6、制器实施较强控制作用，其输出可以为 当时控制器实施一般的控制作用，其输出为：当时，控制器输出不变。：当时，实施较强控制作用， 当时，实施较小控制作用，：当时，此时加入积分，减小稳态误差。式中，误差e的第k个极值； -分别为第k次和第k-1次控制器输出； =2增益放大系数，； =0.6增益抑制系数，； 设定的误差界限，其中可取0.8，0.4，0.2，0.01四值； =0.001任意小正实数。（4）最后写出线性模型及当前采样时刻的误差值： （5）循环以上(3)(4)步，循环次数为1000次。（6）画出专家PID控制阶跃响应曲线图（a）和误差响应曲线（b）。3. 实验程序：%Expert PID C

7、ontrollerclear all; %清除所有记录 close all; %关闭所有ts=0.001; %采样时间ts=0.001sys=tf(5.235e5,1,87.35,1.047e4,91); % 建立连续系统传递函数模型dsys=c2d(sys,ts,'z'); %连续系统转换为离散系统模型num,den=tfdata(dsys,'v'); %返回分数形式的传递函数u_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0; %设定输入初始值y_1=0.0;y_2=0.0;y_3=0.0; %设定输出初始值x=0,0,0; %设置一个三维变量x2_1=0; %

8、X2=0kp=0.1; %设定比例系数ki=0.02; %设定积分系数 kd=0.01; %设定微分系数k1=2;k2=0.6;e=0.001;M2=0.05;error_1=0;for k=1:1000; %for循环执行1000次 time(k)=k*ts; %获得采样序列 rin(k)=1.0; % 输入阶跃信号u(k)=kp*x(1)+kd*x(2)+kd*x(3); %离散系统PID规律算法% 以下为专家控制器的规则 if abs(x(1)>0.8 %如果 u(k)=0.45; elseif abs(x(1)>0.40 u(k)=0.40; elseif abs(x(1)

9、>0.20 u(k)=0.12; elseif abs(x(1)>0.01 u(k)=0.10; end if (x(1)*x(2)>0)|(x(2)=0) % The rule 2 if abs(x(1)>=M2 u(k)=u_1+k1*kp*x(1); else u(k)=u_1+0.4*kp*x(1); end end if(x(1)*x(2)<0&x(2)*x2_1>0)|(x(1)=0) u(k)=u(k); end if (x(1)*x(2)<0)&(x(2)*x2_1<0) if abs(x(1)>M2 u(k

10、)=u_1+k1*kp*error_1; else u(k)=u_1+k2*kp*error_1; end end if abs(x(1)<=e % Integration separation PI control u(k)=0.5*x(1)+0.01*x(3); end if u(k)>=10 % Restricting the output of controller u(k)=10; end if u(k)<=-10 u(k)=-10; end % Linear modelyout(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2-den(4)*y_3+num(1)

11、*u(k)+num(2)*u_1+num(3)*u_2+num(4)*u_3; error(k)=rin(k)-yout(k); % -return of PID paramters- u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k); y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k); x(1)=error(k); % calculating P x2_1=x(2); x(2)=(error(k)-error_1)/ts;% calculating D x(3)=x(3)+error(k)*ts; % calculating I error_1=error(k);endfigure(1

12、); %绘制图1plot(time,rin,'b',time,yout,'r'); %输出蓝色曲线稳态值 红色为响应曲线xlabel('time(s)'); %x轴为时间轴ylabel('rin,yout'); %y轴为响应值figure(2); %绘制图2plot(time,rin-yout,'r'); %输出稳态误差红色曲线xlabel('time(s)'); %x轴为时间轴ylabel('error'); %y轴为稳态误差参数调节过程及实验结果：Kp=0.8 ki=0 kd=0

13、专家PID控制阶跃响应曲线图：误差响应曲线图： Kp=0.3 ki=0 kd=0专家PID控制阶跃响应曲线图：误差响应曲线图：Kp=0.1 ki=0 kd=0专家PID控制阶跃响应曲线图：误差响应曲线图：Kp=0.1 ki=0.04 kd=0专家PID控制阶跃响应曲线图：误差响应曲线图：Kp=0.1 ki=0.04 kd=0.9误差响应曲线图：专家PID控制阶跃响应曲线图：Kp=0.1 ki=0.04 kd=0.5误差响应曲线图：专家PID控制阶跃响应曲线图：Kp=0.1 ki=0.02 kd=0.01误差响应曲线图：专家PID控制阶跃响应曲线图：4. 实验结论： 比例系数 ：作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。当系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少误差。 越大，系统响应越快，但将产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此 的值不能取得过大；但如果 取值过小，过小会降低调节精度，是系统响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静、动态特性变坏。积分系数 ：作用在于消除系统的稳态误差，提高无差度。 越大积分速度越快，系统静差消除越快，但 过