最少拍控制系统

最少拍控制系统 实验一 最少拍控制系统 (Simulink 仿真实验) 1。实验目的与 (1)掌握最少拍有纹波、无纹波系统的设计; (2)学会对最小拍控制系统的分析方法。 (3)了解输入信号对最小拍控制系统的影响及其改进措施。 2(实验设备 (1)硬件环境 微型计算机一台， Pentium4以上各类微机 (2) 软件平台 操作系统:Windows 2000 MATLIB6.0 仿真软件 3(实验原理 最少拍控制是一种直接数字设计方法。所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特 定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，使系统输出值尽快地跟踪期望值的变化。 z它的闭环传递函数具有形式 ,1,2,N ,(z),,z，,z，？，,z12N在这里，是可能情况下的最小正整数。这一传递形式明闭环系统的脉冲响应在N个采N 样周期后变为零，从而意味着系统在N拍之内到达稳态。其控制原理如图1-1: ,(z) G(z)Y(z)R(z) TTU(z)es()E(z)Gs()D(z)G(s)0 h0TT+Y(s)R(s)_ G(s) 图1-1 最少拍系统控制原理图 (1)输入信号为单位阶跃输入， 2.1G(s),(2) 被控对象为: 02s(s，1.252) (3)采样周期=1s。 T 1 要求:设计控制器; D(z) 4。实验内容与步骤 (1) 按系统要求计算为有纹波控制器和无纹波控制器; D(z) (2)按照系统原理图，在simulink下构造系统结构图模型;取输入信号为单位阶跃信号和单位速度信号，设计控制器，观察输入输出波型，标明参数，打印结果; (3)观察系统输出波形在采样点以外的波形。 (4)比较有纹波与无纹波系统的区别，分析其原因。 5. 思考与分析 (1)最少拍受什么限制而使调整节拍增加, (2)无纹波系统对控制器有何要求, (3)分析不同输入信号对最小拍控制系统的影响。 实验二 纯滞后控制实验 (Simulink 仿真实验) 1.实验目的与要求 (1) 掌握应用大林算法进行纯滞后系统D(z)的设计; (2) 掌握纯滞后系统消除振铃的方法。 2(实验设备 (1)硬件环境 微型计算机一台， Pentium4以上各类微机 (2)软件平台 操作系统:Windows 2000以上; 仿真软件工具:MATLIB5.3以上。 3(实验原理 在一些工业过程(如热工、化工)控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多被控制对 L象具有纯滞后性质。例如，一个用蒸汽控制水温的系统，蒸汽量的变化要经过长度为的路 ,,L/v, v,程才能反映出来。这样，就造成水温的变化要滞后一段时间(是蒸汽的速度)。对象的这种纯滞后性质常会引起系统产生超调和振荡。因此，对于这一类系统，采用一般的随动系统设计方法是不行的，而用PID控制往往效果也欠佳。 本实验采用大林算法进行被控制对象具有纯滞后系统设计。设被控对象为带有纯滞后的一阶惯性环节或二阶惯性环节，达林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数 2 ，相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联，即 ,(s) ,,se,(s), ,,,NT s，1, 该算法控制将调整时间的要求放在次要，而超调量小甚至没有放在首位。控制原理如图2-1, ,1.46seG(s),,其中:采样周期=0.9秒，期望传递函数=0.5秒，被控对象 ;输入T03.34s，1信号为单位阶跃信号。 ,(z) G(z)Y(z)R(z) TTU(z)es()E(z)D(z)Gs()G(s) h00TT+Y(s)R(s)_ G(s) 图2-1 纯滞后系统控制原理图 应用大林算法进行纯滞后系统设计D(z)控制器，进行系统分析。 4(实验内容与步骤 (1)按照纯滞后控制系统要求设计D(z); (2)按照系统原理图，在simulink下构造系统结构图模型; (3)分别做出系统有振铃和消除振铃的仿真波形图，标明参数，打印结果(包括系统的输出和控制器的输出)。 5. 思考与分析 (1)纯滞后控制系统对阶跃信号有无超调,为什么, (2)纯滞后控制与PID控制有什么本质区别,消除振铃前后系统输出有什么不同, 实验三 温度控制系统,位式控制， 1(实验目的 1)了解二位式温度控制系统的结构与组成。 2)掌握位式控制系统的工作原理及其调试方法。 2(实验设备 3 1)TKGK-1型过程控制实验装置: 位式控制器GK-05 、变频器GK-07-2 2)万用表一只 3)计算机系统 3(实验原理 1) 温度传感器 温度测量通常采用热电阻元件(感温元件)。它是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的。其电阻值与温度间的关系式为 Rt,Rt0[1+α(t-t0)] 式中: Rt——温度为t(如室温20?)时的电阻值; Rt0——温度为t0(通常为0?)时的电阻值; α——电阻的温度系数。 可见，由于温度的变化，导致了金属导体电阻的变化。这样只要设法测出电阻值的变化，就可达到温度测量的目的。本装置使用的是铂电阻元件PT100，并通过温度变送器(测量电桥或分压采样电路或者AI人工智能工业调节器)将电阻值的变化转换为电压信号。 2)二位式温度控制系统 本实验的被控对象是电热丝，被控制量是复合水箱中内套的水温T，温度变送器把被控制量T转变为反馈电压Vi，它与二位调节器设定的上限输入Vmax 和下限输入Vmin比较，从而决定二位调节器的输出信号;调节器的输出电压VO(5V)作为执行元件的控制信号。VO与Vmin和Vmax 的关系如图3-1所示，图3-2为位式控制系统的方块图。 图3-1 V与Vmin、Vmax、Vi关系图 图3-2 位式控制系统的方块图 O 由图3-1可见，VO与Vi的关系不仅有死区存在，而且还有回环，因而图3-2所示的系统实质上是一个典型的非线性控制系统。执行器只有“开”或“关”两种极限工作状态，故称这种控制器为两位调节器。该系统的工作原理是: 当被控制的水温T减小到小于设定下限值时，即Vi?Vmin时，调节器的输出为VO(5V)，执行元件(固态继电器)接通，使电热丝接通220V电源加热(如图3-3所示)。随着水温T的升高，Vi也不断增大，当增大到大于设定上限值时，即Vi?Vmax时，则两位调节器的输出VO由5V降到0V，此时固态继电器释放，切断电热丝的供电。 温度给定值是由GK-05挂件上的给定信号源给定，其中RP1电位器用于设定Vmin，RP2 4 电位器用于设定Vmax，(要求Vmax-Vmin?1V)。被 控对象为复合水箱中的电热丝，被控制量为内套的 水温，它由铂电阻PT100测定，并经温度变送器 AI708送到位式控制挂件GK-05的Vi端。位式控制 是根据测得温度与设定温度上、下限进行比较，发 出使固态继电器通断的控制信号，从而达到控制水 箱中水温的目的。 由过程控制原理可知，双位控制系统的输出是 图3-3 位式控制系统结构图 一个断续控制作用下的等幅振荡过程，如图2-4所 示。因此不能用连续控制作用下的衰减振荡过程的温度品质指标来衡量，而用振幅和周期作为品质的指标。一般要求振幅小，周期长，然而对 .T( c) 同一双位控制系统来说，若要振幅小，则周期必然 1 短;若要周期长，则振幅必然大。 因此通过合理选择中间区以使振幅在限定范围 内，而又尽可能获得较长的周期。 0t(s) 图3-4 双位控制系统的响应曲线 4(实验内容与步骤 1)按图2-2所示的方块图，利用TKGK-1型实验装置组成控制系统。位式控制器输出端V接加热器控制信号的输入端“TR”，GK-05给定信号分别接“Vmax”和“Vmin”，将AI-708o 的变送输出信号“TT”接到GK-05的“Vi”端。 2)启动电源，分别调节好Vmin和Vmax的设定值。 3)以复合加热水箱作为被控对象，手动控制交流电机使之恒速往复合加热水箱内套加水。 4)打开GK-01上的加热开关，使系统投入运行。 5)系统运行后，通过计算机监控软件记录水温变化过程的实时曲线。待稳定振荡2,3个周期后，观察位式控制过程曲线的振荡周期和振幅大小。 实验数据记录如下: S(秒) T(?) 6)打开阀1和阀6，关闭阀2、阀3、阀4和阀5、阀7、阀8，启动实验装置的供水系统，给复合水箱的外套水箱加流动冷却水，重复上述的实验步骤。 5(注意事项 1)Vmax必须要大于Vmin(一般要求Vmax-Vmin ?1V)。 2)实验线路全部接好后，必须经指导老师检查认可后，方可接通电源开始实验。 5 3)在老师指导下将计算机接入系统，利用计算机显示屏作记录仪使用，并保存每次实验记录的数据和曲线。 6(实验 1)画出不同Vmax、Vmin时的系统被控制量的过渡过程曲线，记录相应的振荡周期和振荡幅度的大小。 2)画出加冷却水时被控量的动态响应曲线，并比较振荡周期和振荡幅度大小。 3)综合分析位式控制系统的特点。 7(思考与分析 1)为什么缩小Vmax与Vmin间差值，能改善双位控制系统的性能, 2)为什么实际的双位控制特性与理想的双位控制特性有着明显的差异, 实验四、单容水箱液位PID控制系统 一、 实验目的 1)、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。 2)、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的阶跃响应。 3)、研究系统分别用P、PI和PID调节器时的抗扰动作用。 4)、定性地分析P、PI和PID调节器的参数变化对系统性能的影响。 二、 实验设备 1)、THGK-1型过程控制实验装置: GK-04 GK-06 GK-07-2 2)、万用表一只 3)、秒表一只 4)、计算机系统 三、实验原理 1、单容水箱液位控制系统 图4,2 单容液位控制系统结构图 图4-1 单容水箱液位控制系统的方块图 图4-1为单容水箱液位控制系统结构图。图4-2为单容水箱液位控制实际系统结构。这是一个单回路反馈控制系统，它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度;减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛地应用。 6 四、实验内容与步骤 (一)、比例(P)调节器控制 1)、按图4-1所示，将系统接成单回路反馈系统。其中被控对象是上水箱，被控制量是该水箱的液位高度h。 1 2)、启动工艺流程并开启相关的仪器，调整传感器输出的零点与增益。 3)、在开环状态下，利用调节器的手动操作开关把被控制量“手动”调到等于给定值(一般把液位高度控制在水箱高度的50%点处)。 4)、观察计算机显示屏上的曲线，待被调参数基本达到给定值后，即可将调节器切换到纯比例自动工作状态(积分时间常数设置于最大，积分、微分作用的开关都处于“关”的位置，比例度设置于某一中间值，“正-反”开关拔到“反”的位置，调节器的“手动”开关拨到“自动”位置)，让系统投入闭环运行。 5)、待系统稳定后，对系统加扰动信号(在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现)。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。 6)、减小δ，重复步骤5，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 7)、增大δ，重复步骤5，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。 8)、选择合适的δ值就可以得到比较满意的过程控制曲线。 9)、注意:每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。 (二)、比例积分调节器(PI)控制 1)、在比例调节实验的基础上，加入积分作用(即把积分器“I”由最大处“关” 旋至中间某一位置，并把积分开关置于“开”的位置)，观察被控制量是否能回到设定值，以验证在PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。 2)、固定比例度δ值(中等大小)，改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量σp。 表二、δ值不变、不同Ti时的超调量σp 积分时间常数Ti 大 中 小 超调量σp 3)、固定积分时间T i于某一中间值，然后改变δ的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，并列表记录不同δ值下的超调量σp。 表三、Ti值不变、不同δ值下的σp 比例度δ 大 中 小 超调量σp 4)、选择合适的δ和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值(如设定值由50%变为60%)来获得。 (三)、比例积分微分调节(PID)控制 1)、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把D打开。然后加上 7 与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验步骤(二)所得的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。 2)、选择合适的δ、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线(阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现)。 3)、用计算机记录实验时所有的过渡过程实时曲线，并进行分析。 五、实验报告要求 1)、绘制单容水箱液位控制系统的方块图。 2)、用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。 3)、P调节时，作出不同δ值下的阶跃响应曲线。 4)、PI调节时，分别作出Ti不变、不同δ值时的阶跃响应曲线和δ不变、不同Ti值时的阶跃响应曲线。 5)、画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。 6)、比较P、PI和PID三种调节器对系统余差和动态性能的影响。 六、注意事项 1)、实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。 2)、必须在老师的指导下，启动计算机系统和单片机控制屏。 3)、若参数设置不当，可能导致系统失控，不能达到设定值。 七、思考题 1)、如何实现减小或消除余差,纯比例控制能否消除余差, 2)、试定性地分析三种调节器的参数δ、(δ、Ti)和(δ、Ti和T)。的变化对控制d过程各产生什么影响, 8 9