過程控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、過程控制課程實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)一：串級系統(tǒng)的仿真控制1. 實(shí)驗(yàn)要求：假設(shè)一串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖為： 其中：將傳遞函數(shù)帶入并繪制串級控制系統(tǒng)的Simulink結(jié)構(gòu)圖：2. 執(zhí)行程序：clc; %清除命令窗口clear all; %清除所有記錄a,b,c,d=linmod('chuanji'); %加載simulink模型sys=ss(a,b,c,d); %建立狀態(tài)空間表達(dá)式figure(1); %繪制圖形1step(sys); %獲得階躍響應(yīng)曲線 hold on %繪圖保持y,t=step(sys); %y為縱軸，t為橫軸的階躍曲線mp,tf=max(y); %返回峰值及峰值時(shí)間c

2、s=length(t); %獲得穩(wěn)態(tài)時(shí)間yss=y(cs); %獲得穩(wěn)態(tài)值sigma=100*(mp-yss)/yss; % 計(jì)算超調(diào)量tp=t(tf); %計(jì)算峰值時(shí)間%計(jì)算調(diào)節(jié)時(shí)間i=cs+1;n=0;while n=0, i=i-1;if i=1 n=1;elseif y(i)>1.05*yss %判斷響應(yīng)值是否大于穩(wěn)態(tài)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 %判斷響應(yīng)值是否小于穩(wěn)態(tài)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) %顯示超調(diào)量tp=tp(:,:,1) %顯示峰值時(shí)間ts %顯示調(diào)節(jié)時(shí)間3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能指標(biāo) （1）.實(shí)驗(yàn)結(jié)果sigma = 32.3442tp = 58.4907ts = 90.9393（2） .與單回路系統(tǒng)的對比Simulink仿真圖性能指標(biāo)sigma = 73.4939tp = 69.2071ts = 820.16444.實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 1.

4、（從回路的個(gè)數(shù)分析）由于串級控制系統(tǒng)是一個(gè)雙回路系統(tǒng)，因此能迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，從某個(gè)角度講，副回路起到了快速“粗調(diào)”作用，主回路則擔(dān)當(dāng)進(jìn)一步“細(xì)調(diào)”的功能，所以應(yīng)設(shè)法讓主要擾動的進(jìn)入點(diǎn)位于副回路內(nèi)。2.能改善被控對象的特性，提高系統(tǒng)克服干擾的能力。由于副回路等效被控對象的時(shí)間常數(shù)比副對象的時(shí)間常數(shù)小很多，因而由于副回路的引入而使對象的動態(tài)特性有了很大的改善，有利于提高系統(tǒng)克服干擾的能力。3.提高了系統(tǒng)的控制精度。實(shí)驗(yàn)二：專家PID仿真控制1. 實(shí)驗(yàn)要求：假設(shè)一專家控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：G(s)=采用專家系統(tǒng)PID控制，輸入信號為階躍信號，取采樣時(shí)間為1ms，用MATLAB仿真模擬此模型

5、的階躍響應(yīng)過程。2. 專家PID控制過程分析：專家控制的實(shí)質(zhì)是基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，并以智能的方式利用這些知識來設(shè)計(jì)控制器。利用專家經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)PID參數(shù)便構(gòu)成了專家PID控制。（1）首先通過傳遞函數(shù)離散取樣，采樣時(shí)間間隔為1ms。（2）然后取PID初始值：kp=0.6; ki=0.03; kd=0.01;（需要根據(jù)傳遞函數(shù)調(diào)整）（3）二階系統(tǒng)階躍過程分析如下，取階躍信號：令e(k)表示離散化的當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值，e(k-1)、e(k-2)、分別表示前一個(gè)和前兩個(gè)采樣時(shí)刻的誤差值，則有根據(jù)誤差及其變化，可設(shè)計(jì)專家PID控制器，該控制器可分為5種情況設(shè)計(jì)：時(shí)，實(shí)施開環(huán)控制。：當(dāng)時(shí)由控

6、制器實(shí)施較強(qiáng)控制作用，其輸出可以為 當(dāng)時(shí)控制器實(shí)施一般的控制作用，其輸出為：當(dāng)時(shí)，控制器輸出不變。：當(dāng)時(shí)，實(shí)施較強(qiáng)控制作用， 當(dāng)時(shí)，實(shí)施較小控制作用，：當(dāng)時(shí)，此時(shí)加入積分，減小穩(wěn)態(tài)誤差。式中，誤差e的第k個(gè)極值； -分別為第k次和第k-1次控制器輸出； =2增益放大系數(shù)，； =0.6增益抑制系數(shù)，； 設(shè)定的誤差界限，其中可取0.8，0.4，0.2，0.01四值； =0.001任意小正實(shí)數(shù)。（4）最后寫出線性模型及當(dāng)前采樣時(shí)刻的誤差值： （5）循環(huán)以上(3)(4)步，循環(huán)次數(shù)為1000次。（6）畫出專家PID控制階躍響應(yīng)曲線圖（a）和誤差響應(yīng)曲線（b）。3. 實(shí)驗(yàn)程序：%Expert PID C

7、ontrollerclear all; %清除所有記錄 close all; %關(guān)閉所有ts=0.001; %采樣時(shí)間ts=0.001sys=tf(5.235e5,1,87.35,1.047e4,91); % 建立連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型dsys=c2d(sys,ts,'z'); %連續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為離散系統(tǒng)模型num,den=tfdata(dsys,'v'); %返回分?jǐn)?shù)形式的傳遞函數(shù)u_1=0.0;u_2=0.0;u_3=0.0; %設(shè)定輸入初始值y_1=0.0;y_2=0.0;y_3=0.0; %設(shè)定輸出初始值x=0,0,0; %設(shè)置一個(gè)三維變量x2_1=0; %

8、X2=0kp=0.1; %設(shè)定比例系數(shù)ki=0.02; %設(shè)定積分系數(shù) kd=0.01; %設(shè)定微分系數(shù)k1=2;k2=0.6;e=0.001;M2=0.05;error_1=0;for k=1:1000; %for循環(huán)執(zhí)行1000次 time(k)=k*ts; %獲得采樣序列 rin(k)=1.0; % 輸入階躍信號u(k)=kp*x(1)+kd*x(2)+kd*x(3); %離散系統(tǒng)PID規(guī)律算法% 以下為專家控制器的規(guī)則 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、); %繪制圖1plot(time,rin,'b',time,yout,'r'); %輸出藍(lán)色曲線穩(wěn)態(tài)值 紅色為響應(yīng)曲線xlabel('time(s)'); %x軸為時(shí)間軸ylabel('rin,yout'); %y軸為響應(yīng)值figure(2); %繪制圖2plot(time,rin-yout,'r'); %輸出穩(wěn)態(tài)誤差紅色曲線xlabel('time(s)'); %x軸為時(shí)間軸ylabel('error'); %y軸為穩(wěn)態(tài)誤差參數(shù)調(diào)節(jié)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果：Kp=0.8 ki=0 kd=0

13、專家PID控制階躍響應(yīng)曲線圖：誤差響應(yīng)曲線圖： Kp=0.3 ki=0 kd=0專家PID控制階躍響應(yīng)曲線圖：誤差響應(yīng)曲線圖：Kp=0.1 ki=0 kd=0專家PID控制階躍響應(yīng)曲線圖：誤差響應(yīng)曲線圖：Kp=0.1 ki=0.04 kd=0專家PID控制階躍響應(yīng)曲線圖：誤差響應(yīng)曲線圖：Kp=0.1 ki=0.04 kd=0.9誤差響應(yīng)曲線圖：專家PID控制階躍響應(yīng)曲線圖：Kp=0.1 ki=0.04 kd=0.5誤差響應(yīng)曲線圖：專家PID控制階躍響應(yīng)曲線圖：Kp=0.1 ki=0.02 kd=0.01誤差響應(yīng)曲線圖：專家PID控制階躍響應(yīng)曲線圖：4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 比例系數(shù) ：作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。當(dāng)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少誤差。 越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，但將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此 的值不能取得過大；但如果 取值過小，過小會降低調(diào)節(jié)精度，是系統(tǒng)響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜、動態(tài)特性變壞。積分系數(shù) ：作用在于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。 越大積分速度越快，系統(tǒng)靜差消除越快，但 過