过程控制仿真实验

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1、过程控制实验实验一用临界比例度法整定单回路反馈控制系统一实验目的1熟悉临界比例度法的整定方法。2了解阶跃响应的一般规律。二实验原理临界比例度法是目前应用比较广泛的一种整定方法，这种方法的特点是：不需要对被控对象单独求取响应曲线，而直接在闭环反馈控制系统中进行整定（实验框图见实验指导书末）。这种方法的要点是：使调节器对被控对象起控制作用，但调节器先要当作比例调 节器（Ti=8, Td=0）,从较大的比例度0开始作实验，逐步减小比例度0，每改变 6 一次，作一次定值干扰实验，观察控制过程曲线，看看被控参数是否达到临界 振荡状态，如果控制过程波动是衰减的，则应把比例度继续减小，如果控制过程 波动是发

2、散的，则应把比例度放大一些，一直实验到比例度减小到被控参数作临界 振荡为止。这时比例度就是临界比例度6 k，来回波动一次的时间就是临界周期Tk（临界振荡曲线如图1-1）图1-1这时控制系统已处于“临界状态”。记下这时的波动周期Tk以及临界比例度6 k， 再跟据表1-2的经验公式，计算调节器的最佳参数。控制规律0 (%)Ti(s)Td(s)P26 kPI2.20 k0.85TkPID1.76 k0.5Tk0.13Tk三试验步骤1开机执行c： MATLAB（用鼠标双击 MATLAB 图标）进入 MATLAB： “Command Windows”。2在MATLAB命令窗口上键入M文件命令：mainm

3、ap0欢迎画面闪动5秒钟后，进入主窗口，如图1-4所示。进行某一实验点击相应按钮，实验结束后点按退出按钮会回到这个窗口，已 进行下一个实验，另外可以点按索引和详细情况进行查询，本实验点击实验 一即可进入临界比例度法的演示实验。图1-43进入实验一显示窗口如1-5所示。先将Ti=8 （MATLAB中inf即为无穷大）Td=0取一个比较大的0 （1/kp）开始试验。建议选择参数：给定阶跃幅值1仿真精度1-e3仿真步距0.1仿真点数1000图像显示点数10001/Kp0.1(1) 点击运行显示在现在参数下的系统阶跃响应图像如图1-6。(2) 点击详细情况显示如图1-7。图1-6(3)单击观察等幅振荡

4、后面的确定按钮显示振幅列表，以帮助确认系统振荡 是否等幅。数据具体意义由图1-8所示。图1-8y1为第一波峰值,t1为相应时间。 y2为第一波谷值,t2为相应时间。 以下同上。(4)根据系统阶跃响应曲线和观察振幅列表反复调整比例度0，使系统阶跃响应达到等幅(即系统的临界状态)，读出这时的比例度0 k并求出振荡周期Tk 关闭窗口，回到图1-5所示窗口。4参照表1-2计算出调节器的整定参数。Ti Td。将这些参数填到图1-5所示 窗口中的相应位置，点击运行可观看系统阶跃响应曲线。5点击详细情况，显示如图1-7所示，选择观看整定结果参数后面的确 定按钮，显示如图1-9所示。图1-96选取相应误差带后

5、，选择制图按钮显示精确的闭环阶跃响应曲线如图1-10 所示。7点击详细资料，会列出系统阶跃响应的各种数据，上升时间，过度过程 时间，余差，和最大超调量。记录这些数据，看是否满足要求。注意：求得0 k计算出Tk以后，算出0，Ti，Td。先把。放到比计算 值稍大一点的数值上，然后把Ti加上。如果效果不理想，在放上 微分时间Td，最后再把0放回计算值，适当调整比例度，使系统 处于最佳状态。图 1-10从零点到黄色垂线的距离（时间）对应上升时间。从零点到蓝色垂线的距离（时间）对应过度过程时间。实验框图注意事项：1试验时不要关闭主窗口，应实验完成后再退出。2阶跃幅值应是正数。3图像显示点数应小于实验点数

6、，访真步距是秒，程序中其他的与时间有关的量的单位都是仿真步距。4误差带的选择决定了进入稳态的时间，即过渡过程时间，但如果实验 点数过少，可能显示不出来。5试验点数和显示点数可跟据计算机性能增减实验二用衰减曲线法整定单回路反馈控制系统一实验目的1熟悉临界比例度法的整定方法。2了解比例度和响应曲线衰减的规律。二实验原理衰减曲线法是在总结临界比例度法基础上发展起来的。这种方法不需要大量 凑试，也不需要得到临界波动过程，而直接求得调节器的比例度，整定步骤简单明 了，衰减曲线法根据工艺需要分（4： 1）衰减和（10： 1）衰减两种，先分别介绍 如下。（实验框图见实验指导书末）1（4： 1）衰减曲线法同临

7、界比例度法一样，在闭环情况下，先把调节器当作纯比例调节器（Ti= 8,Td=0），先将比例度放到比较大的数值，逐步减小比例度，并加定制扰动，直到 系统出现如图2-1所示的（4： 1）的衰减过程为止。这时控制过程的比例度称为 （4： 1）衰减比例度0 s，两相邻波峰之间的时间称（4： 1）衰减周期Ts。再根据 表2-3经验公式，计算调节器整定参数。，Ti，和Td。2 （10： 1）衰减曲线法在实际生产过程中，往往对控制过程的稳定性有不同的要求。对有的生产 过程来说，感到（4： 1）衰减过程稳定性不够高，这时可采取（10： 1）衰减过程。 因此引出（10： 1）衰减曲线法，如图2-2所示。其中0

8、s为调节器作为比例作用 时的比例度，To为控制过程上升时间。这里不采用控制过程波动周期，原因在于 曲线衰减很快，控制周期测不准确。有了0 s和To以后，再根据表2-4经验公式计算调节器整定参数0，Ti，和 Td。其它步骤和（4： 1）衰减曲线法完全相同。9Z 0= $3 禁000 L 009009 OOt 典 C碱也占遂璋痼部明旦蜀网审旦al;X wyH* 1 Sl-I控制规律6 (%)Ti(min)Td(min)P6 sPI1.26 s0. 5TsPID0.86 s0.3Ts0.1Ts表 2-46 =0.9控制规律6 (%)Ti(min)Td(min)P6 sPI1.26 s2ToPID0.

9、86 s1.2To0.4To三实验步骤1开机执行c： MATLAB（用鼠标双击 MATLAB 图标）进入 MATLAB： “Command Windows”。2在MATLAB命令窗口上键入M文件命令：mainmap0欢迎画面闪动5秒钟后，进入主窗口，如图2-6所示。进行某一实验点击相应按钮，实验结束后点按退出按钮会回到这个窗口，已 进行下一个实验，另外可以点按索引和详细情况进行查询，本实验点击实验 二即可进入衰减曲线法的演示实验。图 2-63进入实验二显示窗口如2-7所示。根据精度要求，选择使用(4： 1)或是 (10： 1)衰减曲线法，这对应使用不同公式计算。建议选择参数：给定阶跃幅值0.3

10、仿真精度1-e3仿真布距0.01仿真点数10000图像显示点数10000Kp先将Ti=8 Td=0,取一个比较大的S (1/kp)开始试验。图2-7(1)点击运行显示在现在参数下的系统阶跃响应图像如图2-8。图2-8400 0OC 8001000本图显示的就是发散的情况，发散的原因是比例度太小。(2)点击详细情况显示如图2-9。图2-9单回路京减曲疆法整定观察振荡参数确定观察整定结果r允许与终值偏差为2%r允许与终值偏差为5%注意:请在点按单选按纽后再点按运 行或详细资料按纽。运行详细资料（3）单击观察振荡参数后面的确定按钮显示窗口如图2-10所示，帮助确定 衰减比和比例度。图 2-10田单回

11、路京减曲疆法整定一-窗口一第一峰值时间t1103第二峰值时间t2284衰减周期Ts181第一波峰值y!2第二波峰值y22衰减比1比例度s s0.123（3）根据运行的图像和详细情况内的数据，调整比例度的大小，使系统的衰 减曲线呈（4： 1）或（10： 1）。（4）读出Ts和Ss，回到图2-7所示窗口。4如果使用（4： 1）衰减曲线法根据表2-3计算PID参数，如果使用（10： 1）衰 减曲线法则根据表2-4计算PID参数。5将计算出的参数填到图2-7所示的窗口中，点击运行显示粗略的阶跃曲线，点 击详细情况显示窗口如图2-9所示，选择误差带后点击运行按钮，显示精确的 系统阶跃响应曲线如图2-11

12、在图中，可以直观的看到上升时间，超调，过渡 过程时间。注意：先将比例度放到比计算值稍大一些的数值上，然后放上积分时间， 如需要，再放上微分时间。图 2-11从零点到黄色垂线的时间是上升时间从零点到蓝色垂线的时间是稳态（过渡过程）时6点击运行按钮下面的详细情况按钮，显示系统阶跃响应的各种数据，包括余差，上升时间，过渡过程时间，最大超调量，衰减比。记录数据，分析是否 满足要求。实验框图汪意事项：1试验时不要关闭主窗口，应实验完成后再退出。2阶跃幅值应是正数，图像显示点数应小于实验点数，访真步距是秒。3误差带的选择决定了进入稳态的时间，即过渡过程时间，但如果实验 点数过少，可能显示不出来。4试验点数

13、和显示点数可跟据计算机性能增减实验三用飞升曲线法整定单回路反馈控制系统一实验目的1熟悉飞升曲线法的整定方法。2了解系统开环和闭环响应曲线的异同。二实验原理在临界比例度法和衰减曲线法中，都不需要事先知道被控对象的动态特征， 而且直接在闭环系统中进行整定。而飞升曲线法则是在系统处于开环情况下做实 验，给对象一个接跃信号输入，观察输出的变化，将这个变化曲线记录下来就是 飞升曲线，如图3-1所示。从响应曲线上可求得对象特征参数T，T和 （对有 自衡对象），或者T和 （对于无自衡对象），其中为飞升速度。对于有自衡对 象， =k/T，其中T为对象的时间常数，K为放大系数；这里应强调指出，此处 放大倍数K必须化成无因次量，即K=A Y/（ Ymax-Ymin）/ r/ （Rmax-Rmin）上式中 r为调节器手动输出信号的给定跃值；Rmax，Rmin为调节器手动输出信号的最大值和最小值；Ymax, Ymin为广义对象输出的最大值和最小值。至于其 它对象特征参数T和T值，直接从相应曲线上求得，如图3-1。图3-1然后根据表3-3由以知的K TS求得PID参数。但表3-3是比较粗略的，比较 精确的是表3-4的参数计算方法，但比较复杂。比较上述两套整定公式可以看出: 表3-2中的计算公式与表3-3中在T /T=0.2时，这两套公