控制系统设计与仿真实验报告

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时间:2018-08-09

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1、电气与自动化工程学院控制系统设计与仿真实验报告姓名:裴加坤专业:自动化专业学号:同组者:汪志华赵昌通宋轶楠(1)了解Matlab的使用环境,掌握基本的Matlab编程语法和语句;(2)了解Simulink的使用环境,掌握Simulink的模块化编程步骤;(3)对所有过程控制系统对象进行分析,分析所有参数的变化情况;控制对象共分为单容和多容对象,其平衡特性分为自衡和非自衡以及滞后等过程,这里主要对单容和多容在自衡和非自衡的条件下进行研究。单容自衡系统:实验结果:K值的改变只影响系统的最终幅值,而与系统的特性无关。K值越大,系统的最终稳定值越高。改变T值:实验结果:可

2、以看出,在相同的阶跃输入作用下,时间常数越大,系统达到稳态所需的时间越长。单容非自衡系统:实验结果:T值越大,系统上升的速度越慢。多容自衡系统:实验结果:多容非自衡系统:实验结果:自衡系统最终会达到稳定,T值的不同,系统达到稳定的时间也不同。非自衡系统不会达到稳定状态。(1)对单回路控制系统的四个部分进行详细仿真;执行器:由图像可以看出,时间常数较小的执行器对偏差变化的响应速度较快,并且不会产生较大的超调。被控对象:被控对象参数设定不同,系统响应的曲线也不同。检测变送:设定检测变送环节的比例系数,由图像可知,系统输出与变送器的比例系数成反比。(1)深入理解PID控

3、制的原理;比例、积分、微分控制简称PID(Propotional-Integrate-Differential)控制,它是工业生产过程中最常用的控制算法。PID控制具有原理简单、适应性强、控制效果好的特点。理想的模拟式PID控制算法为(2)式中Kp——比例放大系数;Ti——积分时间常数;Td——微分时间常数。理想PID控制器的传递函数为(3)掌握PID三个参数对控制系统性能的影响;P作用的输出与偏差成比例,称为比例控制作用。特点:比例调节对系统的干扰有及时而有力的抑制作用;比例调节存在余差,不能做无静差调节;随着比例增益的增大,系统的稳定性变差。I作用的输出与偏差

4、的积分成比例,称为积分控制作用。特点:只要被控量存在偏差,积分输出就会随时间不断增加,当偏差为零时,控制器才会停止积分,保持一定的输出值不变;积分控制使过渡过程的动作迟缓,动态品质变坏,过渡过程时间延长,甚至造成系统不稳定。D作用的输出与偏差的微分成比例,称为微分控制作用。特点:微分作用反映系统偏差的变化率,能预见偏差变化趋势,因此能产生超前的控制作用;在稳态时微分部分输出为零,因此D作用不能消除稳态误差;微分对噪声信号有放大作用,因此过强的微分作用对系统抗扰性能不利;对于大时滞系统,微分控制不能改善系统品质。P控制:分别取K的值为5、10、15由曲线可知,比例调

5、节存在稳态误差。PI控制:取K=10,I=5、10、15由图像可以看出,随着积分时间常数减小,积分作用增强,系统稳定性降低,振荡加剧,调节时间也明显变大。而积分时间常数如果太大,积分作用太小,系统需要很长的过渡过程才能消除稳态误差。PID控制:由图像可以看出,随着微分时间常数增大,微分作用增强,系统的过渡过程变得平缓,超调量减小,调节时间也明显降低。但加入微分作用要适当,过大或过小的微分作用都会使系统的性能下降。(1)深入理解根轨迹法的基本原理;(2)掌握根轨迹的绘制方法、增益的选择、稳态误差的消除措施等;增益rlocfind深入理解频域响应法的基本原理;(1)掌

6、握Bode图的绘制方法、带宽频率的选择;控制系统中的信号可以表示为不同频率正弦信号的合成。控制系统的频率特性反映正弦信号作用下系统响应的性能。应用频率特性研究线性系统的经典方法称为频域分析法。令传递函数中的,得到系统频率特性频率特性主要有三种表示方法:Nyquist曲线、Bode图、Nichols图。(2)基于Bode图法调整控制系统的动态和稳态性能指标方法;(1)串级控制系统的设计,与单回路比较;一次干扰下:串级系统对一次扰动的抗扰能力与单回路系统相差不大,其原因是副回路对一次扰动不起作用,不能提高对一次扰动的响应频率。串级控制系统改善了对象的动态特性,减小了被

7、控对象的等效时间常数;大大增强了对二次扰动的克服能力;对一次扰动有较好的克服能力;对副回路参数变化具有一定的自适应能力。(1)前馈控制系统设计,与单回路比较;由图像对比可知,采用前馈补偿作用后,对单一可测不可控扰动的克服能力大大加强。上述系统实际为前馈、反馈复合控制系统,由前馈控制对可测扰动进行补偿,由反馈控制消除其他扰动带来的影响,大大提高了系统的动态和稳态性能。前馈控制也存在着很大的局限性:完全补偿难以实现、只能克服可测不可控的扰动等,因此前馈控制不宜单独使用,往往结合反馈系统、串级系统使用。由于参数选择上一些问题,前馈的曲线没有产生直线补偿。(1)其它控制系

8、统设计,与

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