過程控制第一到三章作業(yè)

1、第一章作業(yè)1.1常用的談?wù)摽刂葡到y(tǒng)動向性能的單項性能指標(biāo)有哪些？它與偏差積分指標(biāo)各有何特色？答：(1)衰減率、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)偏差ess、調(diào)理時間ts、振蕩頻次；(2)單項指標(biāo)用若干特色參數(shù)談?wù)撓到y(tǒng)利害，積分指標(biāo)用偏差積分綜合談?wù)撓到y(tǒng)利害。1.2什么是對象的動向特色？為何要研究對象的動向特色？答：(1)指被控對象的輸入發(fā)生變化時，其輸出（被調(diào)量）隨時間變化的規(guī)律；(2)實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化時，對象的動向特色可以為控制工程師設(shè)計出合理的控制系統(tǒng)知足要求提升主要依據(jù)。1.3平常描繪對象動向特色的方法有哪些？答：微分方程或傳達函數(shù)。1.4過程控制中被控對象動向特色有哪些特色？答：無振蕩、堅固或中性堅固、有

2、慣性或延緩、非線性但在工作點周邊可線性化。1.11某水槽水位階躍響應(yīng)實驗為：t/s01020406080100150200300400h/mm09.5183345556378869598此中階躍擾動量=20%。(1)畫出水位的階躍響應(yīng)曲線；(2)若該水位對象用一階慣性環(huán)節(jié)近似，試確立其增益K和時間常數(shù)T。編寫版word解：MATLAB編程以下：%作出標(biāo)幺后的響應(yīng)曲線x=0:0.01:400;y=interp1(t,h,x,spline);%三次樣條函數(shù)據(jù)己知的t、h插出x的值yy=y/y(end);%輸出標(biāo)幺plot(x,yy,k);xlabel(t/s);ylabel(h/mm);title

3、(階躍響應(yīng)曲線,fontsize,10);grid;%找出最湊近0.39和0.63的點less1=find(yy=0.39);front1=less1(1,end);behind1=more1(1,1);編寫版wordcha11=0.39-yy(1,front1);cha12=yy(1,behind1)-0.39;ifcha11=cha12t1=x(1,front1)elset1=x(1,behind1)endless2=find(yy=0.63);front2=less2(1,end);behind2=more2(1,1);cha21=0.63-yy(1,front2);cha22=yy(1

4、,behind2)-0.63;ifcha21=cha22t2=x(1,front2)elset2=x(1,behind2)編寫版wordend%求增益K和時間常數(shù)TK=y(end)/20T=2*(t2-t1)(1)水位的階躍響應(yīng)曲線如圖：階躍響應(yīng)曲線10.90.80.70.6m/h0.50.40.30.20.10400t/s計算結(jié)果以下：GK1_11t1=48.1700t2=96.5900K=編寫版word4.9T=96.8400則該水位對象用一階慣性環(huán)節(jié)近似后，得其增益K=4.9，時間常數(shù)T96.84。1.14已知溫度對象階躍響應(yīng)實驗結(jié)果以下表：t/s01020304050607080901

5、001502.0此中階躍擾動量q=1t/h。試用二階或n階慣性環(huán)節(jié)寫出它的傳達函數(shù)。解：由表可知，t=30s時=11.5，明顯存在粗大偏差，故將此數(shù)據(jù)剔除。MATLAB編程以下：%作出標(biāo)幺后的響應(yīng)曲線theta=00.160.651.521.751.881.941.971.992.002.00;x=0:0.01:150;y=interp1(t,theta,x,pchip);%三次函數(shù)據(jù)己知的t,theta插出x的值yy=y/y(end);%輸出標(biāo)幺plot(x,yy,k);xlabel(t/s);ylabel(/);編寫版wordtitle(階躍響應(yīng)曲線,fontsize,10);gridon

6、;%找出最湊近0.4和0.8的點less1=find(yy=0.4);front1=less1(1,end);behind1=more1(1,1);cha11=0.4-yy(1,front1);cha12=yy(1,behind1)-0.4;ifcha11=cha12t1=x(1,front1)elset1=x(1,behind1)endless2=find(yy=0.8);front2=less2(1,end);behind2=more2(1,1);cha21=0.8-yy(1,front2);cha22=yy(1,behind2)-0.8;ifcha210；燃料增添時溫度上漲，則Gp(s)

7、的K0；前二者為正，則Gc(s)的Kc0,即調(diào)理器為反作用方式。編寫版word(b)鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)：給水調(diào)理閥是氣關(guān)式，則Kv0；前二者一負(fù)一正，則Gcs的Kc即調(diào)理器為正作用方式。()()0,2.2什么是調(diào)理器的動作規(guī)律？P、I、D控制規(guī)律各有何特色？答：(1)指調(diào)理器在動向中輸入變化量e與輸出變化量u之間的關(guān)系；P控制規(guī)律：調(diào)理作用實時，偏差一旦產(chǎn)生，調(diào)理器立刻使被控參數(shù)朝著減小偏差的方向變化，Kc增大則控制作用加強；有差調(diào)理，Kc增大則靜差減?。坏獽c過大會惹起振蕩，致使系統(tǒng)不堅固；I控制規(guī)律：調(diào)理作用不實時，TI減小則控制作用加強；無差調(diào)理，只需偏差存在，調(diào)理器就向來調(diào)整輸出直至

8、偏差為零；積分作用使系統(tǒng)堅固性變差；控制規(guī)律：輸出量與輸入量的變化速度成正比，調(diào)理過程結(jié)束后偏差的變化速度為零，不論偏差多大調(diào)理器都不作用。2.3某電動比率調(diào)理器的丈量范圍為100-200，其輸出為0-10mA。當(dāng)溫度從140變化到160時，測得調(diào)理器的輸出從3mA變化到7mA。求該調(diào)理器比率帶。解：y2-y1160-140ymax-ymin200-1000.550%u2-u17-3umax-umin10-02.4某水槽液位控制系統(tǒng)如題圖。已知：F=1000cm2，R=0.03s/cm2，調(diào)理閥為氣關(guān)式，其靜態(tài)增益|Kv|=28cm3/smA，液位變送器靜態(tài)增益Km=1mA/cm。畫出該系統(tǒng)的

9、傳達方框圖；調(diào)理器為比率調(diào)理器，其比率帶=40%，分別求出擾動Qd=56cm3/s以及編寫版word定值擾動r=0.5mA時，被調(diào)量h的殘差；若改為120%，其余條件不變，h的殘差又是多少？比較(2)(3)的結(jié)果，總結(jié)對系統(tǒng)殘差的影響；液位調(diào)理系統(tǒng)改用PI調(diào)理器后，h的殘差又是多少？解：(1)此中，T=CR=FR=1000*0.03=30s，K=R=0.03s/cm2Gp(s)=K/(Ts+1)=0.03/(30s+1)Qdr+euGp(s)hGc(s)Kv-Km(2)調(diào)理閥是氣關(guān)式，則Kv0且Km0，則Gc(s)的Kc0eQ(s)-KmGp(s)eQ(s)Qd-KmKQdeQ(limsQd(

10、s)1KmKvGc(s)Gp(s)s0Qd(s)s1KmKv(1/)KhQ(eQ()-560.03-0.54cm)(-28)(-1/40%)0.03Km1er(s)1r)limser(s)rrr(s)r(s)s1KmKv(1/)K1KmKvGc(s)Gp(s)s0hr(er()0.50.16cm)1(-28)(-1/40%)0.03Km(3)近似(2)的計算Q(eQ()-560.03Km1(-28)(-1/120%)0.03hr(er()0.5)0.294cmKm1(-28)(-1/120%)0.03編寫版word總結(jié)：比率帶增大會致使殘差增大。(4)h的殘差為零，因為PI調(diào)理器的積分作用為無

11、差調(diào)理。2.8被控對象傳達函數(shù)為G(s)=K/s(Ts+1),如采納積分調(diào)理器，證明：積分速度So不論為何值，系統(tǒng)均不可以堅固。證：令1+Gc(s)G(s)=1+So/sK/s(Ts+1)=0Ts3+s2+KSo=0勞斯判據(jù)表：s3T0s21KSos1-TKSos0KSo根的散布：左半平面1個，右半平面2個因此可知，So不論為何值，系統(tǒng)均不可以堅固。2.10一個自動控制系統(tǒng)，在比率控制的基礎(chǔ)上分別增添:適合的積分作用；適合的微分作用。試問：(1)這兩種狀況對系統(tǒng)的堅固性、最大動向偏差、殘差分別有什么影響？(2)為了獲得同樣的系統(tǒng)堅固性，應(yīng)怎樣調(diào)整調(diào)理器的比率帶？并說明原因。答：(1)I：堅固性

12、變差，最大動向偏差變大，除去殘差；D：堅固性變好，最大動向偏差減小，不可以除去殘差。編寫版word(2)I：因積分調(diào)理使系統(tǒng)堅固性變差，故可適合增大比率帶，減弱比率調(diào)理作用；D：因為微分調(diào)理使系統(tǒng)堅固性變好，故可適合減小比率帶，加強比率調(diào)理作用。2.11比率微分控制系統(tǒng)的殘差為何比純比率控制系統(tǒng)的??？答：微分調(diào)理老是試圖控制被調(diào)量振蕩，可以提升系統(tǒng)的堅固性。在保持衰減率不變的狀況下，適合引入微分作用后，可以贊成減小比率帶。而比率帶減小，靜差則減小。2.15微分動作規(guī)律對戰(zhàn)勝被控對象的純延緩和容積延緩的見效怎樣？答：純延緩對象：在延緩時間段因為對象不發(fā)生變化，故微分作用在此階段不起作用。此段時間

13、事后對象的變化速率必定，故微分作用起作用，且強度保持不變；容積延緩對象：對象從一開始便向來變化，且變化速率不定，故此階段內(nèi)微分作用存在且隨時間變化。最后對象不再變化時，微分作用消逝，不再起作用。第三章作業(yè)3.1為何要對控制系統(tǒng)進行整定？整定的實質(zhì)是什么？答：(1)不同樣的被控對象對換節(jié)器的特色要求不同樣，系統(tǒng)能否在最正確狀態(tài)下工作，主要取決于控制器各參數(shù)的設(shè)置能否適合；(2)經(jīng)過調(diào)整控制器的這些參數(shù)，使其特色與被控對象特色相般配，以達到最正確的控制見效。3.2正確選擇系統(tǒng)整定的最正確性能指標(biāo)有何意義？當(dāng)前常用性能指標(biāo)有哪些？答：(1)可以綜合反應(yīng)系統(tǒng)控制質(zhì)量，并且便于分析和計算；(2)衰減率、

14、超調(diào)量編寫版word、調(diào)理時間ts、振蕩頻次。3.3在簡單控制系統(tǒng)中，調(diào)理器為比率動作。廣義被控對象的傳達函數(shù)以下，用衰減頻次特色法求：=0.75(m=0.221)和=0.90(m=0.366)時，調(diào)理器的整定參數(shù)。(1)G(s)1(2)G(s)0.8e-s(1Ts)5Tas解：特色方程為得方程組GC(s)G(s)+1=KCG(s)+1=0，令s=-m+jKCM(-m+j)1KC=1(-m+j)=-M(-m+j)emej(-arctgm-0.5)(1)G(-m+j)Tam21emM=1Tam2=-arctgm-0.5(A)=0.75(m=0.221arctgm0.069)-0.069-0.5-

15、1.354/M0.973/TaKCTa/0.973(B)=0.90(m=0.366arctgm0.112)-0.112-0.5-1.219/M1.204/TaKCTa/1.2040.80.8e-j5(arctgT)(2)G(-m+j)1-Tm2.5jT)5(1-Tm)2(T)2(1-Tm編寫版word0.8M=)2(T)22.5(1-Tm=-5(arctgT)1-Tm(A)=0.75(m=0.221)-5(arctgT-0.626/TM0.584KC1.712)1-0.221T(B)=0.90(m=0.366)-5(arctgT-0.574/TM0.901KC1.101)1-0.366T3.5

16、某溫度控制系統(tǒng)對象階躍響應(yīng)中，測得：K=10，T=2min，=0.1min，應(yīng)用動向特色參數(shù)法設(shè)計PID調(diào)理器整定參數(shù)。解：=K/T=5/min=0.5KC=。(1)一次P調(diào)理：=0.5即P=2衰減振蕩過程，但不知足=0.75的要求。二次P調(diào)理：=0.48即P=Kc2.08。0.751，以以下列圖：0.291.460.741.08X:3.14Y:0.9541編寫版word(2)一次PI調(diào)理：=1.1=0.528即P=KC1.894。TI=3.3=0.33即I=KC/TI5.739。衰減振蕩過程，但不知足=0.75的要求。二次PI調(diào)理：=0.485即P=KC2.06。TI=2.06即I=KC/T

17、I=1。0.7514，=0.527，以以下列圖：0.31.5270.761.131X:7.19Y:1(3)一次PID調(diào)理：=0.7730.375即P=KC2.667。TI=0.606TI1.248即I=KC/TI0.801。TD=0.25TI=0.312即D=KCTD0.832。振蕩發(fā)散過程。二次PID調(diào)理：=0.435即P=KC2.30。編寫版wordTI=2.255即I=KC/TI1.020。TD=0.024即D=KCTD0.055。0.75，0.5，以以下列圖：0.231.50.591.125X:10.22Y:13.7已知被控對象階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)以下表，調(diào)理量階躍變化u=5。時間/min

18、0510152025被調(diào)量0.6500.6510.6520.6680.7350.817時間/min303540455055被調(diào)量0.8810.9791.0751.1511.2131.239時間/min606570758085被調(diào)量1.2621.3111.3291.3381.3501.351(1)用一階慣性環(huán)節(jié)加純延緩近似對象，求出K、T、值；(2)應(yīng)用動向特色參數(shù)法選擇PID調(diào)理器參數(shù)。解：(1)MATLAB編程以下：%作出標(biāo)幺后的響應(yīng)曲線編寫版word1.3381.351.351;x=0:0.1:85;y=interp1(t,h,x,spline);%三次樣條函數(shù)依據(jù)己知的t,h插出x的值y

19、yy=y-y(1);xlabel(時間/min);ylabel(被調(diào)量);title(階躍響應(yīng)曲線,fontsize,10);plot(x,yyy,k);gridon;holdon;%作出x=38(即x0)處的切線x0=x(381);y0=yyy(381);%取切點x1=x(380);y1=yyy(380);%取周邊點x2=x(382);y2=yyy(382);k=(y2-y1)/(x2-x1);b=y0-k*x0;%計算斜率和截距f=(x)k*x+b;%切線方程yk=f(x);plot(x,yk);階躍響應(yīng)曲線以以下列圖：編寫版wordX:54.5Y:0.7010.70.60.50.40.3

20、0.20.117.50.001459X:10Y:0.002計算結(jié)果：K=(1.351-0.65)/5=0.1402，T=54.5-17.5=37min，=17.5-10=7.5min。(2)=K/T0.0038/min=0.0285(A)一次P調(diào)理：=0.0285即P=KC35.0877。衰減振蕩過程，但不知足=0.75的要求。二次P調(diào)理：=0.0265即P=Kc37.736。0.7515，以以下列圖：20.661.28852.480.9521X:252.7Y:0.841(B)一次PI調(diào)理：=1.10.029即P=KC34.483。TI=3.3=24.75即I=KC/TI1.393。編寫版wo

21、rd衰減振蕩過程，但不知足=0.75的要求。二次PI調(diào)理：=0.027即P=KC37.037。TI=46.3即I=KC/TI0.8。0.7530，=0.494，以以下列圖：21.851.49455.811.122X:323.1Y:1(C)一次PID調(diào)理：=0.7730.021即P=KC47.619。TI=0.606TI28.058即I=KC/TI1.697。TD=0.25TI=7.0145即D=KCTD334.023。振蕩發(fā)散過程。二次PID調(diào)理：=0.025即P=KC=40。TI=40即I=KC/TI=1。TD=0.6即D=KCTD=24。0.7495，=0.519，以以下列圖：編寫版wor

22、d0.231.50.591.125X:10.22Y:13.11對題圖所示的控制系統(tǒng)中的調(diào)理器，試用堅固界限法整定參數(shù)。(a)當(dāng)P=KC=0.328時，系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩(以以下列圖)，得：cr3.049且Tcr=(42.73-2.973)/49.94編寫版wordX:2.973X:42.73Y:7.328Y:7.328(1)一次P調(diào)理：=2=6.098即P=K0.164。crC衰減振蕩過程，但不知足=0.75的要求。二次P調(diào)理：=29即P=KC0.0345。0.7486，以以下列圖：9.32.440.451.352X:202.7Y:1編寫版word(2)一次PI調(diào)理：=1.1=31.9即P=KC0.0313。TI=0.85Tcr=8.449即I=KC/TI0.0037。振蕩發(fā)散過程。二次PI調(diào)理：=83.333即P=KC0.012。TI=24.490即I=K