實驗二單回路控制系統的建模與仿真

《過程控制系統》實驗指導書

電氣工程與自動化專業

張彩霞 陳廣義 編

佛山科學技術學院

2013年9月

前 言

過程控制是工業自動化的重要分支。近年來，工業過程控制取得了快速的發展，無論是在大規模的結構復雜的工業生產過程中，還是在傳統工業過程改造中，過程控制技術對于提高產品質量以及節省能源等均起著十分重要的作用。

《過程控制系統》是自動化專業的主要專業課程之一。作為《過程控制系統》實驗部分，起到了加強學生對課程理論體系理解，提高理論結合實際的能力。本實驗指導書包括六個部分的內容，從被控過程建立數學模型出發，分別設有單回路控制系統的建模與仿真、串級控制系統的建模與仿真、前饋控制系統、大滯后過程預估計補償控制系統，根據過程控制系統的本質與特點，系統地討論了各種控制系統的建模方法，力圖使學生掌握過程控制系統分析、設計基本原理和技術。

目 錄

實驗一 單回路控制系統的建模與仿真………………………………1

實驗二 串級控制系統的建模與仿真…………………………………3

實驗三 前饋控制系統…………………………………………………5

實驗四 大滯后過程預估計補償控制系統………………………………7

實驗一 單回路控制系統的建模與仿真

教材P164習題12要求：1. 建立數學模型；2.整定調節器參數值；3.仿真調試

對給定被控過程，設計調節器

對給定被控過程，設計調節器

實驗二 串級控制系統的建模與仿真

1. 對給定三階系統，設計單回路PID調節器，觀察并記錄曲線，上升時間、超調量、調節時間、穩態誤差。改變PID參數值，觀察輸出曲線的變化規律。

設計串級控制調節器，觀察并記錄曲線，上升時間、超調量、調節時間、穩態誤差。

改變調節器參數值，觀察輸出曲線的變化規律。

比較兩種控制方案，從中可得到什么結論?

3. 假設隧道窯的燃燒室、燒成帶的數學模型為慣性加純滯后環節，分別為和，其控制系統的框圖為：

圖１隔焰式隧道窯溫度控制系統框圖

1. 請根據已知的燃燒室、燒成帶的數學模型對隔焰式隧道窯溫度進行控制，使其滿足超調小于40%，用Matlab進行仿真，并給出仿真圖形

2. 在此基礎上設計串級控制回路，畫出串級控制系統框圖，用Matlab進行仿真，并給出仿真圖形。

3. 給出加入一次擾動、二次擾動的仿真圖，比較在單回路控制及串級控制作用下，同時加入一次擾動、二次擾動的仿真結果。

實驗三 前饋控制系統

對給定慣性純滯后過程對象、觀察單回路PID調節器曲線，并記錄上升時間、超調量、調節時間、穩態誤差。

加入擾動，觀察記錄輸出曲線的變化。

引入靜態前饋，觀察記錄曲線的變化。

引入動態前饋，觀察記錄曲線的變化。

假設某一工業生產過程的控制通道的傳遞函數為：，干擾通道的傳遞函數為：，

1)引入靜態前饋，觀察記錄曲線的變化，超調要求小于20%，并記錄上升時間、超調量、調節時間、穩態誤差。

2) 引入動態前饋，觀察記錄曲線的變化，超調要求小于20%，并記錄上升時間、超調量、調節時間、穩態誤差。

提示：在matlab仿真中，為了便于觀察結果，需把仿真時間設置的長些，本題可設置為1000。

實驗四 大滯后過程預估計補償控制系統

對給定慣性過程加入PI調節器后，觀察記錄階躍響應曲線。

2. 過程引入大滯后，觀察記錄階躍響應曲線。

3. 系統采用smith預估補償方案，觀察記錄響應曲線，從中可得出什么結論？

4. 綜合題

1)假設被控對象的數學模型為，設計PI控制，使其超調控制在55%以下，用Matlab進行仿真，

2)加入純滯后環節后變為：，觀察系統輸出波形，用Matlab進行仿真，

3)設計Smith預估補償控制，并求其輸出波形，用Matlab進行仿真。

1

階躍信號

檢測變送

控制器

燃燒室

燒成帶

總結

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