基于MATLAB的锅炉液位控制系统的设计与仿真(共40页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要近年来，在工业控制中，随着工业技术的不断改进和发展，锅炉液位的过程控制系统得到了广泛的应用，为了确保锅炉的控制系统的正常运行，控制系统中要求锅炉的液位往往需要维持在某一个设定值上或者只允许在某一个小范围内进行变化。在工业生产中，为保证工业生产的安全进行，控制过程中需要确保锅炉中的液体不会产生溢出，人们对锅炉的控制系统的各项参数的要求愈来愈高。而在实际的工业生产中，被控对象常常具有时延、非 线性等特点，采用一般的控制方法将很难得到很好的控制效果。所以，对时延、非线性对象的先进控制方法进行研究，优化工业生产系统的控制水平，具有很重要的意义。 锅炉液位的控制大多应用P

2、ID控制方法。PID参数整定通常是在得到控制对象的数学模型后，根据相关的整定规则，进行在线调节。本毕业设计中所提到的双容水箱液位控制系统是在国内外相关实验装置的基础上，通过考虑其性能指标，自行设计的模拟多种对象特性的实验设备。双容水箱的结构虽然简单但在高水平、复杂的控制系统中，此类系统仍是大多数，是最基本的过程空竹系统。复杂过程控制系统往往是建立在简单控制系统的基础上。本设计应用所学的过程控制知识，采用MATLAB对锅炉水位控制系统进行仿真。关键词：锅炉液位,MATLAB,PID控制,双容水箱专心-专注-专业AbstractIn recent years, in industrial cont

3、rol, with the constant improvement and development of industrial technology, the process of the boiler liquid level control system has been widely used, in order to ensure the normal running of the boiler control system, control system of boiler liquid level, often need to maintain on a certain valu

4、e or is only allowed to change in a small scope. In industrial production, to ensure the safety of industrial production, the need to ensure that the boiler in the process of control the liquid does not produce overflow, the various parameters of the control system of boiler is higher and higher req

5、uirements.In the actual industrial production, the controlled often has the characteristics of time delay, nonlinear, using the general control method will be difficult to get good control effect.So for advanced control methods of time delay, nonlinear object for research, optimizing the control lev

6、el of industrial production system, has the very vital significance. Most of the boiler liquid level control using PID control method.PID parameters setting is usually after the mathematical model of controlled object, according to the related setting rules, which can adjust the online. As referred

7、to in this graduation design is double let water tank liquid level control system at home and abroad, on the basis of related experimental apparatus, by considering the performance index, design simulation of a variety of experimental equipment of object properties.Double let water tank structure is

8、 simple but in high level, the control of complex systems, such a system is still the most, is the basic process of diabolo system.Complex process control system is often established on the basis of simple control system.Knowledge of process control, we have learned this design application of the bo

9、iler water level control system by MATLAB simulation.KEY WORDS: boiler liquid level, MATLAB, PID control, double let water tank第1章 绪 论1.1 设计背景工业生产生活中,锅炉是通用的热力设备，同时也是能源，电厂，化工等重工业生产运行中最为重要的动力设备。在当今的石化企业里，锅炉不仅为反应器，汽轮机，烟机等设备提供动力，而且还可以给风机驱动，电动机提供动力，在很大的程度上提高了物料和能量在生产工程中的利用率。而锅炉参数和容量的不断提高和扩大使得系统对给水控制要求更为严

10、苛，其容量和负荷变化对液位高低的影响更加显著。随着锅炉运行下内部压力的增加，其给水设备中的调节阀和管道系统将变得复杂使得控制系统中调节阀的流量特性难以满足要求。所以，在锅炉的内部控制系统中，采用自动控制的方法对给水系统进行控制是必不可少的，它在减少外界对系统干扰的同时还能保证锅炉的安全运行并极大的减轻工作强度。 本论文中提到的双容水箱液位控制系统是一种参照国内外实验设备自行设计的模拟多容对象特性的实验设备。在设计中，根据锅炉假液位的控制效果，设计将采用主、副两调节器进行调节。设计的建模方式将采用机理法、测试法、阶跃响应等方法对有影响的双容过程和无影响的双容过程进行建模。整个设计过程中将采用串级

11、控制系统对参数进行整定。在现代工业中双容水箱有很强的工业背景和代表性，双容水箱可以抽象成很多被控对象的局部或整体的数学模型，对其数学模型的建立具有很强的指导意义。所以，学习并掌握双容水箱控制系统的分析和设计的方法对工业生产过程中的液位控制系统有很强的研究意义。1.2 过程控制介绍过程控制是生产过程自动化的简称。它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制4。过程控制在提高经济效益、改善劳动条件、实现工业生产中各种最优经济指标、节约能源等各方面起着愈来愈大的实际作用，该控制是自动化技术领域中重要的组成部分。从控制的角度，通常将工业生产过程

12、分为三类，即连续性、离散型和混合型4。针对连续性生产通常采用过程控制。该生产过程特征一般表现为：在生产过程中，呈现流动情况下的各类材料，在传质、传热或者化学、物理等变化之后，绝大部分将发生分子结构或相变的转变，新的产品由此产生。在整个变化过程相关的工艺参数是非常重要的，生产过程中内部因素和外部因素共同影响该工艺参数。1.3 MATLAB软件简介MATLAB是应用在算法上的数学软件，该软件由MatWorks公司研发。现今，MATLAB广泛应用在自动控制、过程控制、重工业等领域，它是一种较为高级的计算机语言，能够进行各种较复杂的运算和操作。是当今国内外各高校及研发部门重点研究的应用软件之一。MAT

13、LAB由MATLAB语言、MATLAB开发环境、MATLAB图形的处理、MATLAB数学函数库、MATLAB API五大部分组成，基于矩阵/数组，它是以矩阵和数据为单位的语言。该软件可以采用三维和二维对图形处理；通过处理之后图像将会更加的形象。除此之外，MATLAB函数库功能较为强大，函数库中有非常多的数学函数，运算函数，能够计算不同难易程度的各种运算；是一种综合度较高、运算速度较快、较为实用的软件。第2章 串级控制系统概述及设计2.1 基本概念近年来，随着工业技术的不断发展及强大，在工业生产中的以往简单的工业生产控制方法已经无法满足复杂的生产设备需要，为了满足生产设备复杂的控制要求，串级控制

14、系统的方法被得以研发出来。该串级控制系统是将主副调节器串联起来，主调节器的输出信号作为副调节器的输入信号。串级控制系统可以分为双闭环和多闭环控制系统两类。在串级控制系统中，串级控制系统由主控制回路和副控制回路组成，主控制回路由主变量调节器、调节阀、副调节器、主过程、检测变送和副过程构成。副控制回路由副调节器、副变量检测变送、副过程和调节阀构成。主控制回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程组成。副控制回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程组成。在整个控制回路中系统通常会受到一次扰动和二次扰动的干扰，一次扰动是指作用在主被控过程上的干扰，二次扰动是指作用在副被控过

15、程上的干扰。2.2 串级控制系统系统框图图2.2.1 串级控制系统框图向串级控制系统给输入的信号，这时输入的信号和主变送器反馈信号得到一个差值e1，e1进入系统中的主控调节器，在主控调节器中进行PID计算。计算完后，这时输出的信号和副变送器的反馈信号差值被同时送入执行器。在外界加入的一次扰动和二次扰动的作用下控制整个控制回路中的变量波动情况，从而达到设计的目的。2.2.1 主回路设计在串级控制系统中，主回路属于定值控制系统，该回路的设计可以根据简单控制系统设计的原理进行设计，并且该设计与单回路控制系统的设计方法类似。在设计中，对系统选取的主要控制变量应为能实现设计目的的参数。2.2.2 副回路

16、设计在串级控制系统中，副回路起着非常重要的作用，副回路将会为整个系统优势得以提升。该回路拥有随动系统的特性，对回路中包含的二次扰动拥有很强的自适应力抑制力，主被控对象由于二次扰动作用在主、副回路上因而受到的影响很小，所以在设计副回路控制系统时应该将被控过程中变化幅度大、剧烈、频繁等较多的扰动包含在其中。同时，副回路的参数在设置合理的情况下还需使其时间常数与主回路的时间常数相匹配便以达到共同的控制要求。2.2.3 主、副控制回路调节器选择及匹配情况在控制系统中，系统应该将较多的干扰包含在副控制回路中，同时注意主副控制回路中干扰因数数量的匹配问题。绝不能将所有的扰动都包含在副控制回路中，否则，主控

17、制回路中调节器将会失去其调节作用。在设计中往往将主副控制回路中的扰动的数量和时间常数的比值设定在310之间。由于主控制回路中调节器起着定值作用，而系统中工艺参数的主要指标为主被控参数。一般情况下，主控制回路需要没有静差，控制回路中的主要调节器的控制规律可选用比例积分调节（即PI控制规律）和比例积分微分调节（即PID控制规律）中的其中一种。在副控制回路中，由于该回路的副调节器是随动控制，从而使该副回路控制回路在整个控制系统中起着随动控制的作用，随动控制的作用可以克服各种干扰对主控参数的影响，同时能够提高控制的快速性，因此在副控制回路的调节作用中，系统允许其有静差。在控制规律的选择上，由于积分调节

18、（I控制规律）会延长系统的控制过程时间导致副控制回路的快速性受到抑制。此外，如果选择微分调节（D控制规律），微分调节将会使系统中的调节阀的动作过大从而使控制达不到系统想要的效果。因此在大多数情况下副控制回路将会采用比例调节（P控制规律）而不用积分调节（I控制规律）或是微分调节（D控制规律）。在控制器正反作用的选择上，由于负反馈是保证过程控制系统正常工作的基础，因此，在拥有两个回路的串级控制系统中，保证两个控制回路均为负反馈的重要条件是主、副控制回路中调节器的作用方式的确定原则。在确定作用方式的过行程中，主控制回路中的调节器的作用方式的确定需在副控制回路作用方式确定之后。2.3 串级控制系统的M

19、ATLAB的仿真与计算2.3.1 系统的计算与仿真在系统的计算与仿真中，计算与仿真以计算机为主要的操作工具，仿真以控制系统的模型为基础，运用教学模型对系统的控制进行研究的一种方法。其仿真步骤如下： （1）设计锅炉液位的总体控制方案（2）设计一个较完整的多容对象液位控制系统（3）建立系统的数学模型，求出传递函数数学模型是系统的输入变量及输出变量及内部变量之间的数学表达方式。 状态空间表达式、微分方程、结构图、传递函数都是比较常见的数学模型。建立数学模型的方法有：试验法、解析法。 （4）进行PID参数设置2.3.2 MATLAB计算与仿真MATLAB是以矩阵和数据为单位，固有矩阵实验室的含意。其特

20、点为以下几种: （1）数据处理能力强，功能多样化在很多工业技术、工程领域及科学研究中，MATLAB除了具有强大的数值运算功能，在专业技术水平这一块MATLAB提供的符号计算可以攻克很多工业生产上的技术问题。除此之外，MATLAB能够提供的丰富的库函数，包含基本库函数、专用库函数。这些函数将能够满足各种用户所需要实现的数据处理及科学计算功能，将会节省用户编程的大量时间，此外，还可以将大量琐碎的基础工作交给MATLAB的内部函数去处理。 （2）图形界面简单实用 在MATLAB中，其软件工具通常采用用户界面。该界面操作简易，界面使用方便，与Windows的界面相似。该软件新版本中所提供的帮助系统和联

21、机查询大大增加了用户对该软件的使用效率。MATLAB中的开发语言为C语言，除此之外，MATLAB的编程语言即适合非计算机专业人员的使用，又符合计算机专业人员使用。由于该编程语言具有拓展性强和可移植的特点，在工程计算和科研等各个研究领域该编程语言已经得到了广泛应用。 （3）处理图形功能强大MATLAB中除了具有绘制图形函数之外，还具有强大的数据可视化功能，可绘制二维图、三维图、多维图等各种复杂的图形同时能够创建隐函数绘图和三维立体动画效果以及用于工程绘图和科学计算。 （4）Simulink功能介绍 在MATLAB中Simulink是一款比较实用的可视化仿真工具，因此Simulink被广泛应用在数

22、字信号处理、线性系统、非线性系统上实现其系统的仿真及建模。Simulink支持系统中不同部分存在不一样的采样率（即多速率系统）。同时，Simulink能够采用离散采样和连续采样时间或离散采样时间和连续采样时间进行建模。Simulink中提供的图形用户接口可以建立模型方块图，并能够用快捷及简单的方式来创建系统的动态模型，使用户能够很快看到系统的仿真结果。 （5）Simulink的特征 a.拥有综合分析、动态系统建模、仿真的集成环境。 b.具有结构与流程清晰、适应面广阔，贴近实际、灵活、仿真精细、高效率的优点。 c.可以利用创建、搜索模型、Model Explorer导航中的任何一个参数、属性、参

23、数来生成模型的代码。 d.Simulink中交互式的图形编辑器可以管理和组合直观的模型方块图。 e.面对复杂设计的管理可以通过设计功能中的层次性来分割模型的方法实现。第3章 PID控制器介绍3.1 PID控制器基本概念PID为比例、积分，微分控制的简称，也称为比例-积分-微分控制器。当今工业自动化生产中大多数的自动化控制技术采用的是反馈控制。测量、比较、执行为反馈控制的三大要素。PID通过测量指定的变量来与预期值相比较得到一个偏差值，用此偏差值来对控制系统的响应进行调节和矫正。目前，PID控制技术已被广泛应用于工业生产中，其控制方式仍为计算机控制技术的基本控制方式，在工业生产的控制回路中有超过

24、95%的回路采用的是PID算法。是控制回路中不可缺少的一部分。3.2 PID控制器系统结构图3.2.1 PID控制系统框图从上图中可以看出，PID是一种线性控制器，由比例（P）、积分（I）、微分（D）三个单元组成。其控制规律函数表达式如下： （3-1）表达式中，KP为比例常数，KI为积分常数，KD为微分常数。3.2.1 比例（P）调节 比例调节器通常被称为偏差控制，分别是一种单独的比例控制和控制系统中最简单的调节器；其输入和输出的信号成比例关系。因此，比例调节器相对于其他的调节器简单易懂、容易操作并且在参数整定方面比较方便，但系统输出稳态误差却成为了该控制致命的缺点。 3.2.2 积分（I）调

25、节积分调节器由于能够对控制系统中的被控参数和设定值的偏差形成记忆，因此该调解器能够使系统的无差度得以提高并能消除比例调节器中系统输出的稳态误差。在系统的积分作用中，积分的时间常数和作用强度成反比，其作用强度由其积分时间常数决定,积积分时间常数越大将会导致系统的稳态误差很难消除，系统的调节精度也会受到影响。积分时间常数越小将会使积分作用变强，其消除稳态误差就越快。但并不是积分时间常数越小越好，因为积分时间常数过小将会导致响应过程初期产生积分饱和并引发较大的超调量。除此之外，因为比例控制比积分控制的稳定作用要强，所以积分控制无法实现控制系统的稳定，面对这种情况，我们可以将积分控制和比例控制结合起来

26、，即比例积分调节器。3.2.3 微分（D）调节在微分调节中，微分控制能够提前预见系统中偏差的变化，产生这一现象的原因是系统出现偏差变化的趋势能够由微分环节表现出来，使系统及时在偏差信号变得太大前引入早期矫正信号，促使系统的调节时间变小、动作速度加快。但对于系统的静态偏差来说，单一的微分调节对其没有抑制作用，因此，为了使系统的控制效果得以提高，控制系统通常将微分调节和比例调节相结合或是和比例积分调节器相结合。其中比例积分微分调节器集比例的迅速、积分的消除功能、微分的预报性于一身，是多种调节器中最为理想的一种。3.3 PID控制器参数整定方法众所周知，在工业生产中对PID控制器的参数进行整定是非常

27、有必要的，因为我们可以通过对PID控制器参数的调节和整定，从而得到控制系统的性能指标及较为理想的静态特性和动态特性，除此之外，因为PID控制器参数整定和调节范围比较宽泛加之控制系统对不同的产品质量有着不同的要求，所以工业生产中研究出了很多对PID控制器参数的整定方法。在PID控制参数整定过程中，采用解析法和实验方法求解参数的前提条件是必须知道精确的系统数学模型。针对数学模型难以确立且较为复杂的控制系统，我们可以采用易于操作的Z-N公式法（即齐格勒-尼科尔斯法则）来进行参数的整定。除此之外，我们还可以采用临界比例度法，即稳定边界法、衰减曲线法、最优整定法、智能整定方法对PID控制器参数进行整定。

28、第4章 双容液位控制系统建模方法及分析4.1 解析法解析法通常被称为机理演绎法，在控制系统的模型建立中我们可以按照系统里被控过程内在的机理，从而得到系统相关的动静态平衡关系，比如：动量平衡关系、物料平衡关系及物理和化学相关的反应定理等，由此求出控制系统中所需要的数学函数。在建模过程中，解析法建模具有将被研究的控制过程看作透明的箱子的特点。解析法基本的建模步骤如下：（1）建立相关动静态平衡关系；（2）建立输出量、控制量及状态量三者之间的关系；（3）建立模型的增量化方程；（4）简化过程的特征，写出输出和状态方程表达式。在解析法建模的过程中，面对内在机理较为复杂的工业过程仅仅采用解析法将难以求出系统

29、需要的数学模型，所以，需要借助其他方法对系统被控过程的数学模型进行求取。4.2 阶跃响应曲线法实际的建模过程中，阶跃响应曲线法是较为常用的方法之一。其本质主要是通过试验得到控制系统的阶跃响应。该方法的步骤为：（1）使过程工作点所需要的测试在手动操作的条件下达到稳定；（2）工作点在稳定的状态下运行一段时间后；改变其过程输入量，记录其相关曲线的变化；（3）当系统进入新的稳定状态之后所得到的曲线就是阶跃响应曲线。4.3 试验法试验法的思路是：首先，先对被控过程给一个输入作用并记录其输出的变化量，从而的到相应的曲线及数据，最终建立一个输入-输出的数学模型。建立这种模型的方法被称为试验辨识法（即试验法）

30、。试验法通常分为两大类：经典辨识法、系统辨识法。经典辨识法可以直接得到非参数模型，系统辨识法可以消除需要测试的数据中噪声的影响。多容过程可分为两大类：相互影响和不相互影响的多容过程。多容过程的含义是多个储蓄容量过程。在本次设计中，我将以最简单的多容过程双容过程作为本次设计的研究对象并分析其数学模型。 4.4 无相互影响的双容建模分析图4.4.1中的双容器没有相互串联的联通管道，手动阀为两个容器的流出阀门方式，容器1中的流量与容器2中的液位毫无关系仅仅与该容器中的有关，同时液位和液位不存在相互影响。图4.4.1双容液位无相互影响过程 由于手动阀门为两个容器的流出阀门方式，因此有相关的线性方程如下

31、： (4-1) (4-2)根据上诉题意，可根据双容过程中的原始数据建立以下模型： (4-3)假设两容器的线性水阻分别是和，可的出以下相关方式： (4-4) (4-5)方程式中、分别为容器1和容器2的初始液位。由上式可得出如下过程的传递函数： (4-6) (4-7)由此可以推出： (4-8)所以可以得出以下公式： (4-9)在该公式中，我们假设、，结合上面的相关方程式，得出以下该过程传递函数： (4-10)由上诉的方程式我们可以知道，在本双容液位系统中，由于系统为分离式双容液位过程，因此仅仅只有容器1中的液位会影响到容器2的液位变化情况，容器2的液位无法影响容器1的液位，且两个容器不存在相互影响

32、的情况。在分离式（两个容器分别独立）的双容过程中两个容器的传递函数的乘积等于整个过程的传递函数。但由于两个独立的传递函数乘积的1/R1倍是过程中的增益，因此我们可以假设Q1等于ku，系统对液位h过程的传递函数如下式： (4-11)由上式我们可以看出，得出的过程传递函数类似于具有两个趋于稳定的一阶自平衡的系统串联，属于二阶惯性环节。该过程中，决定系统反应速度的是其时间常数，并与反应速度成反比，时间常数越大，反应速度越慢，反之反应速度越快。在该过程中由于其等效时间T大于max（T1，T2）,整个控制系统过程的反应速度比一阶系统慢，面对这种情况，我们可以采用一阶惯性环节加纯滞后来解决该问题。4.5

33、相互影响的双容建模分析有影响的双容液位过程如图4.5.1，与图4.4.1相比，有影响的双容液位之间存在一个串联的管道，容器1的液位和容器2的液位都能影响流量，而且两容器的液位存在相互影响。图4.5.1相互影响的双容水箱过程两容器中流量与液位存在以下关系： （4-12）假设容器1和容器2的水阻分别为：R1和R2，比例系数分别为：a1和a2，则可得出以下公式： (4-13)可推出： (4-14) (4-15)其数学描述如下： (4-16) (4-17) 假设,可推出： (4-18) (4-19) 和 的关系式为： (4-20)通过求导整理计算得： (4-21) 采用相同的方法求出和的关系并导出容器

34、1和容器2的过程传递函数和如下： (4-22) (4-23)由上式可知，该两个传递函数都是二阶环节，因此有： (4-24)式中，,。综上所诉，我们可以知道该双容液位过程是一个较为典型的二阶环节控制系统，因此其自振荡频率及其阻尼系数决定了其动态特性的选择。在的选择过程中，当=0时，系统的振荡频率为，该系统特性表现为等幅振荡；当时，振荡频率和自振荡频率相关联，其过程特性为衰减振荡，越小其衰减越慢；当1时，系统的变化比较缓和，过阻尼特性为系统特性。第5章 双容液位控制系统设计与仿真5.1 被控对象的仿真模型建立在串级控制系统中，合理的对其进行设计是必不可少的。除此之外，其设计必须符合系统的控制要求才

35、能充分的发挥串级控制系统的优越性。其设计主要包括主调节器、副调节器控制规律的选择及匹配，主回路、副回路法人选择，主调节器、副调节器的正反作用的选择，主回路、副回路中所包含的时间常数及扰动数量的匹配等。面对进入系统副回路的二次干扰串级控制系统将会呈现很强的抗干扰能力，因此，在设计的过程中我们通常将提高副控制回路放大系数的整定值，并且将幅值较大、变化剧烈的干扰包含在系统的副控制回路中，在这种情况下，系统中的干扰将会受到副控制回路的有力、超前、快速的抑制作用从而使干扰在影响到主变量以前对控制系统的负面作用降到最小。在现代工业生产过程中单回路其中一种应用较为广泛的工业控制，其控制系统结构具有操作维护方

36、便、结构简单、投资较少等优点。在单回路控制系统的设计过程中，我们必须要清楚的了解其控制系统的具体生产工艺，做到操纵变量和被控参数的合理选择，恰当的去选择控制器的相关参数及类型和控制器中阀门的流量特性及形，才能使动静态性能指标达到其控制系统的要求值。在本次双容液位的控制系统的设计中，我们通过大量的实验及参数调试，最终由实验得出双容液位控制系统的主被控对象和副被控对象数学模型分别为： 和，其控制器的调节规律为比例积分控制规律（即PI）。当控制器的参数整定到其最佳值时，控制系统可以得出串级控制系统和单回路控制系统在一阶扰动和二阶扰动及一阶、二阶扰动同时作用是的仿真波形图，其参数的最佳值为：Kp=0.

37、45，TI=0.00001。通过对单回路控制系统和串级回路控制系统仿真波形图进行比较及分析 ，可以得到这两者之间的差异及优缺点，详细仿真如下诉！5.2 串级控制系统仿真1、串级控制系统无任何扰动在串级控制系统中，其主调节器选用比例积分（PI）作用，副调节器选用比例（P）作用。 （1）主调节器参数设置为：KP=0.45，TI=0.00001，TD=0；（2）副调节器参数设置为：KP=0.45，TI=0，TD=0；（3）源块参数：步骤（step)：参数设置为：（Step time）=50；（Initial time)=0;(Final Value)=1,(Sample time)=0。图5.2.1

38、（a）串级控制系统仿真框图图5.2.1（b）串级控制系统节约响应曲线 由图5.2.1（b）仿真图可知，系统受到最初阶跃信号影响后其调节时间大约为200秒、超调量为3.33%。2、串级控制系统受到一次扰动影响情况 在串级控制系统稳定运行到500秒时，突加给主回路一个一次阶跃扰动信号，串级控制系统的仿真图如图5.2.2所示。 （1）主调节器参数设置为：KP=0.45，TI=0.015，TD=0；（2）副调节器参数设置为：KP=2，TI=0，TD=0；（3）一次扰动阶跃信号参数为：（Step time）=500；（Initial time)=0;(Final Value)=0.4,(Sample t

39、ime)=0。图5.2.2（a） 串级控制系统一次扰动仿真框图（4）源块参数：步骤（step)：参数设置为：（Step time）=1；（Initial time)=0;(Final Value)=0,(Sample time)=0。 图5.2.2（b）串级控制系统在一次阶跃扰动信号单独作用下响应曲线由图5.2.2（b）仿真图可知，系统受到二次阶跃信号单独影响后其调节时间大约为400秒、超调量为32.4%。 （5）源块参数：步骤（step)：参数设置为：（Step time）=1；（Initial time)=0;(Final Value)=1,(Sample time)=0。图5.2.2（c

40、）串级系统在设定值和一次阶跃扰动信号共同作用下响应曲线 由图5.2.2（c）仿真图可知，系统受到设定值和二次阶跃信号共同影响后其调节时间大约300秒左右、超调量为32%。3、串级控制系统受到二次扰动影响 在串级控制系统稳定运行到500秒时，突加给副回路一个二次阶跃扰动信号，串级控制系统的仿真图如图5.2.3所示。 （1）主调节器参数设置为：KP=0.45，TI=0.015，TD=0；（2）副调节器参数设置为：KP=2，TI=0，TD=0；（3）二次扰动阶跃信号参数为：（Step time）=500；（Initial time)=0;(Final Value)=0.4,(Sample time)

41、=0。图5.2.3（a）串级控制系统二次扰动仿真框图（4）源块参数：步骤（step)：参数设置为：（Step time）=1；（Initial time)=0;(Final Value)=0,(Sample time)=0。图5.2.3（b）串级控制系统在二次阶跃扰动信号单独作用下响应曲线 由图5.2.3（b）仿真图可知，系统受到二次阶跃信号单独影响后其调节时间大约为500秒、超调量为17.57%。 （5）源块参数：步骤（step)：参数设置为：（Step time）=1；（Initial time)=0;(Final Value)=1,(Sample time)=0。图5.2.3（c）串级系

42、统在设定值和二次阶跃扰动信号共同作用下响应曲线由图5.2.3（c）仿真图可知，系统受到设定值和二次阶跃信号共同影响后其调节时间大约260秒左右、超调量为10.71%。4、串级控制系统同时受到一次扰动和二次扰动影响 在串级控制系统稳定运行到500秒时，突加给副回路一个一次阶跃扰动信号和二次阶跃扰动信号，串级控制系统的仿真图如图5.2.4所示。 （1）主调节器参数设置为：KP=0.45，TI=0.015，TD=0；（2）副调节器参数设置为：KP=2，TI=0，TD=0；（3）一次扰动阶跃信号参数为：（Step1 time）=500；（Initial time)=0;(Final Value)=0.

43、4,(Sample time)=0。（4）二次扰动阶跃信号参数为：（Step2 time）=500；（Initial time)=0;(Final Value)=0.4,(Sample time)=0。图5.2.4（a）串级控制系统一次、二次扰动仿真框图 （5）源块参数：步骤（step)：参数设置为：（Step time）=1；（Initial time)=0;(Final Value)=0,(Sample time)=0。图5.2.4（b）串级控制系统在一次和二次干扰同时作用的响应曲线由图5.2.4（b）仿真图可知，系统受到一次和二次阶跃信号单独影响后其调节时间大约为400秒、超调量为42.

44、5%。（5）源块参数：步骤（step)：参数设置为：（Step time）=1；（Initial time)=0;(Final Value)=1,(Sample time)=0。图5.2.4（c）串级控制系统在设定值和一次及二次干扰共同作用下响应曲线由图5.2.4（c）仿真图可知，系统受到设定值和二次阶跃信号共同影响后其调节时间大约490秒左右、超调量为53%。5.3 单回路控制系统仿真1、单回路控制系统无任何扰动在单回路控制系统中，其主调节器选用比例积分（PI）作用。单回路控制系统的仿真图如图5.3.1所示。 （1）主调节器参数设置为：KP=0.45，TI=0.00001，TD=0；（2）源块参数：步骤（step)：参数设置为：（Step time）=50；（Initial