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1、实验报告课程名称 计算机控制技术 实验名称 过程控制实验 实验日期 2015.6.30 学生专业 测控技术与仪器 学生学号 912101170116 学生姓名 陈昊飞 实验室名称 机械院院办420 教师姓名 江剑 成 绩 南京理工大学机械工程学院实验1 控制系统动态特性测试1、 实验目的在设定值和扰动信号的作用下，过程控制系统的输出可由两条通道来产生：控制通道：设定值对被控变量影响的通道，其作用是抵消扰动影响，以使被控变量尽可能快地维持在给定值附近。干扰通道：干扰信号对被控变量影响的通道。本实验通过控制通道和干扰通道的增益、时间常数和时滞的变化，测试被控对象特性对控制系统性能的影响。2、 实验
2、内容(1) 增益对控制系统的影响假设被控对象的传递函数为G0(s)=2e-10s/(35s+1),考核系统在单位阶跃信号作用下，不同控制通道增益下系统的响应，运行下列matlab语句，观察响应曲线，得出有关结论。%研究控制通道增益Kc对系统的影响G0=tf(2,35 1); % 2/35s+1np,dp=pade(10,2);Gp=tf(np,dp); % e-10sG1=G0*Gp;Kc=1:0.5:2.5; % Kc=1 1.5 2.0 2.5hold onfor i=1:length(Kc)Gc=feedback(Kc(i)*G1,1); step(Gc); %阶跃响应pause %等键
3、盘 end 从图形可以看出，随着控制通道增益Kc的增加，系统的稳态误差减少，但系统的稳定性变差。（结论：放大系数Kc一般希望大一点，Kc大表明操纵量对被控量校正作用有较大的灵敏度，有利于提高控制质量） 假设系统的传递函数为G0(s)=2e-10s/(35s+1),干扰的传递函数为Gd(s)=2e-5s/(7s+1),则系统在单位阶跃扰动信号的作用下，不同扰动增益的响应曲线可以通过，运行下列matlab语句来观察：%研究扰动通道增益Kd对系统的影响G0=tf(1,7 1);np,dp=pade(5,2);Gp1=tf(np,dp);Gd=G0*Gp1;G1=tf(2,35 1);np,dp=pa
4、de(10,2);Gp2=tf(np,dp);Go=G1*Gp2;Kc=1.5;G3=feedback(Go,Kc);G4=Gd*G3;hold onKd=1:4for i=1:length(Kd)G=Kd(i)*G4;step(G); pause %等键盘end 从图形可以看出，随着扰动通道增益Kd的增加，系统的稳态误差增加，并且扰动作用下的输出响应也增加。（结论：放大系数Kd愈大，被控制量的超调量愈大，一般要求Kd愈小愈好）。%研究控制通道时间常数T对系统的影响Kc=1.5;T=25 35 45;hold onfor i=1:length(T)G0=tf(2,T(i) 1);np,dp=p
5、ade(10*T(i)/35,2);Gp=tf(np,dp);G1=G0*Gp;Gc=feedback(Kc*G1,1);step(Gc);pause;end （2）时间常数对控制系统的影响时间常数T是指当被控对象受到阶跃输入信号作用后，被控量以初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。时间常数T是因为物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的，反映了被控变量的变化快慢，因此T是对象的一个动态参数。假设被控对象的传递函数为G0(s)=2e-10s/(Ts+1),考核系统在单位阶跃信号作用下，不同T值（25，35，45）下系统的响应，运行下列matlab语句，观察响应曲线，得出有关结论。 从图形可
6、以看出，随着T的变大，系统的振荡频率变小，系统的动态响应变慢，过渡过程时间加长。（结论：时间常数T小，对象动态响应快，控制及时，有利于克服干扰；但T过小，会引起过渡过程的振荡，不利于控制质量提高，因此，T应适当；）设T0=35，改变扰动通道的时间常数Td（10，35，50），观察扰动阶跃响应曲线。4 %研究扰动通道不同时间常数对系统的影响 G0=tf(2,35 1);Kc=1.5;G1=feedback(G0,Kc);Td=10 35 50;hold onfor i=1:length(Td)Gd=tf(5,Td(i) 1);G=Gd*G1;step(G);pauseend 系统扰动通道的时间常
7、数Td越大，扰动对输出的影响越缓慢，有利于系统克服干扰的影响，提高控制系统质量。（结论：时间常数Td愈大，干扰对被控量的影响愈平缓，时间常数Td愈小，干扰对被控量的影响愈大，因此一般要求Td大一些为好；）（3）时滞对控制系统的影响控制通道的时滞t0时滞t0指输出变量的变化落后于输入变量变化的时间。滞后的产生是由于介质的输送或热质传递需要一段时间所引起的，时滞t0也反映了被控对象的动态特性。时滞t0的存在使系统的稳定性变差，用t0/T0反映系统时滞的相对影响，t0/T00.2时，简单的控制系统已很难满足要求，要考虑负责方案。试增加t0考察对曲线的影响。扰动通道的时滞 扰动通道的td不会对系统的稳
8、定性产生影响，仅仅表示扰动进入系统的时间先后对系统的动态品质没有影响。实验2 比例积分微分控制规律特性分析一、实验目的本实验通过比例、积分和微分单独的作用及大小的变化，验证比例、积分和微分环节对系统的余差及稳定性的影响。二、实验内容1、比例作用 假设被控系统为Gp(s)=e-50s/(36s+1) r(t)只采用比例控制策略，研究不同Kp值下，闭环系统阶跃响应曲线：u(t)+y(t)e-50s/(36s+1)Kp 运行下列matlab语句，观察响应曲线，得出有关结论。%tf函数：传递函数定义 参数：分子、分母G0=tf(1,36,1);% pade函数：参数1表示e的（-多少s）；参数2表示用
9、几阶来逼近np,dp=pade(50,2);G1=tf(np,dp);% GpGp=G0*G1;% P数组表示不同的Kp值P=0.5,0.7,0.9,1,1.5 ;% hold on表示图形可以叠加hold on;for i=1:length(P) Gc=feedback(P(i)*Gp,1,-1); %定义反馈结构step(Gc); %求阶跃响应pause;end 结论：随着Kp值的变化，控制系统的余差减少，但振荡加剧，振荡周期缩短。2、积分作用假设被控系统为Gp(s)=e-50s/(36s+1)，只采用积分策略，研究不同的Ki值下，闭环系统的响应曲线。%研究积分速度对系统调节的影响clea
10、rG0=tf(1,36,1);np,dp=pade(50,2);G1=tf(np,dp);Gp=G0*G1;Ki=0.005,0.01,0.015,0.02;hold on;for i=1:length(Ki) Gc=tf(Ki(i),1,0) G=feedback(Gc*Gp,1,-1);step(G);pause;end结论：积分作用可以消除余差，但增大Ki将会降低系统的稳定性，甚至会导致系统不稳定。3、微分作用 由于微分作用不单独采用，所以研究比例微分作用，改变微分时间常数Td，观察系统的闭环系统的响应曲线。%Td对系统调节的影响clearG0=tf(1,36,1);np,dp=pade
11、(50,2);G1=tf(np,dp);Gp=G0*G1;Kp=0.8;Td=20:5:35;hold on;for i=1:length(Td) Gc=tf(Kp*Td(i),1,1) G=feedback(Gc*Gp,1); step(G); pause;end结论：余差存在，随着Td增加，系统的稳定性变差。4、PID算法比较首先介绍一个函数：1、零极点增益模型形式G(S)= k(S-Z1)(S-Z2)(S-Zm)/(S-P1)(S-P2)(S-Pn)式中： k: 系统增益；z1,z2,zm: 系统零点；p1,p2,pn: 系统极点；注：对实系数的传函模型来说，系统的零极点或者为实数，或者
12、以共轭复数的形式出现。系统的传函模型给出以后，可以立即得出系统的零极点模型。2、在MATLAB下的输入形式在MATLAB里，连续系统可直接用向量z、p、k构成的矢量组【z，p，k】表示系统，即： k=k;z=z1;z2;zm;p=p1;p2;pn;3、函数命令zpk( )在MATLAB中，用函数命令zpk( )来建立控制系统的零极点增益模型，或者将传函模型或者状态空间模型转换为零极点增益模型。zpk( )函数命令的调用格式为：sys = zpk ( z,p,k ) G(S)=6(S+1.9294)(S+0.03530.9287i)/(S+0.95671.2272i)(S-0.04330.641
13、2i)解：k = 6; z = -1.9294;-0.0353+0.9287*i;-0.0353-0.9287*i;p = -0.9567+1.2272*i;-0.9567-1.2272*i;+0.0433+0.6412*i;+0.0433-0.6412*i;G = zpk(z,p,k)假设系统的模型为Gp=10/(s+1)(s+2)(s+3)(s+4),研究不同调节器下闭环系统阶跃响应。%研究不同调节器下闭环系统阶跃响应。Gp=zpk(,-1;-2;-3;-4,10);hold on;Kp=6.2; % P调节Gc=Kp;G1=feedback(Gp*Gc,1);step(G1);pauseKi=1; % P调节Gc=tf(Ki,1,0);G2=feedback(Gp*Gc,1);step(G2);pauseKp=5.5;Ti=2.5; % PI调节Gc=tf(Kp*1,1/Ti,1,0);G3=feedback(Gp*Gc,
