《热工过程自动调节》实验指导书2013

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1、《热工过程自动调节》实验指导书高伟　鲁录义　编华中科技大学能源与动力工程学院二O一三年―7―实验一典型环节的动态特性一、实验目的1．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的响应曲线，熟悉它们的动态特性。2．了解各典型环节中参数变化对其动态特性的影响。二、实验仪器与软件1．PC机　1台2．MATLAB10.0环境三、实验内容分别改变几个典型环节的相关参数，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况（曲线至少3条），并得出规律。1)比例环节（K）2)积分环节（）3)一阶惯性环节（）4)实际微分环节（）5)典型二阶环

2、节（）同时显示三条响应曲线时的仿真框图可采用如图1－1所求形式，其中传递函数的形式根据不同环节进行设置。―31―图1-1　多响应输出示意图一、实验原理1．比例环节的传递函数为其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-2所示。图1-2比例环节的模拟电路及SIMULINK图形2．积分环节(I)的传递函数为其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-3所示。图1-3　积分环节的模拟电路及及SIMULINK图形―31―1．惯性环节的传递函数为其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-4所示。图1-4

3、　惯性环节的模拟电路及SIMULINK图形2．微分环节(D)的传递函数为其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-5所示。图1-5　微分环节的模拟电路及及SIMULINK图形3．典型二阶环节的传递函数为其对应的模拟电路及SIMULINK图形如图1-6所示。图1-6　二阶环节的模拟电路及及SIMULINK图形―31―一、实验步骤1)运行MATLAB软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令，按Enter键或在工具栏单击按钮，即可进入SIMULINK仿真环境下。2)选择File菜单下N

4、ew下的Model命令，新建一个simulink仿真环境常规模板。3)参照图1-1，建立三个比例环节，如图1－7所示。通过改变增益大小，查看对应的单位阶跃响应曲线，如图1－8所示。图1－7　比例环节多输出模型图1－8　比例环节多输出示意4)积分环节、实际微分环节、一阶惯性环节参考步骤2。5)典型二阶环节G(S)=，在ξ与ωn取不同值，观察对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）①令ωn=1，ξ取不同值：ξ1=0；ξ2=0.5,ξ3=0.8（0<ξ<1）；ξ4=1；ξ5=4（ξ≥1）；

5、②令ξ=0，ωn取不同值：ωn1=1；ωn2=3；―31―③令ξ=0.216，ωn取不同值：ωn1=1；ωn2=3；一、实验报告要求1．画出各典型环节的SIMULINK仿真模型。2.记录各环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。3.写出实验的心得与体会。―31―实验二基于MATLAB的PID控制研究一、实验目的：1．理解PID的基本原理2．研究PID控制器的参数对于系统性能的影响二、实验仪器与软件1．PC机　1台2．MATLAB10.0环境三、实验内容1、利用Matlab软件，针对控制对象

6、设计单闭环PID控制系统2、通过调节PID控制器的参数，研究PID控制参数对系统性能的影响四、实验原理单闭环PID的控制系统的作用框图如下：控制器控制对象输入+输出——图2－1　单闭环PID的控制系统比例(P)控制比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-stateerror)。―31―比例控制作用及时，能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。其调节器用在控制系统中，会使系统出现余差。为了减少余

7、差，可适当增大，愈大，余差就愈小；但增大会引起系统的不稳定，使系统的稳定性变差，容易产生振荡。积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分控制的作用是消除稳态误差。只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除

8、稳态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。微分控制能够预测误差变化的趋势，可以减小超调量，