过程控制实验指导书实验三 利用Simulink对串级控制系统进行仿真.docx

《过程控制实验指导书实验三 利用Simulink对串级控制系统进行仿真.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制实验指导书实验三 利用Simulink对串级控制系统进行仿真.docx（5页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、实验三 利用Simulink对串级控制系统进行仿真一、实验目的1 .学会利用MATLAB/Simulink对串级控制系统进行参数整定。2 .学会利用MATLAB/Simulink分析串级控制系统的抗干扰能力。二、实验内容构成以锅炉温度为主变量，锅炉夹套温度为副变量的串级控制系统，假设主、副对象传递函数分别图3.1串级控制系统结构图试采用串级控制设计主、副PID控制器的参数，并对系统进行抗干扰能力分析。三、实验步骤.系统设计和参数整定(1)主控制器的参数整定串级控制系统是由两个以上的系统串联连接，一个控制器作为另一个控制器的输出，串级控制系统的 结构图如图3.1所示。设计时，一般先设计主控制器的

2、参数，然后再设计副控制器的参数。假设主控制器的控制规律采用PID控制，GC1 = Kc(l +2+ Tds)oHs根据实验二中已经学习到的应用Simulink对PID控制器参数自整定的方法,对主控制器进行参数整定。建立如图3.2所示的主控制器控制系统的Simulink结构图。Signal Constraint图3.2只含有主控制器的系统模型图将阶跃信号(Step)模块的初始时间改为0,将仿真的停止时间设置为100,其余参数采用默认值。 在MATLAB窗口中利用以下命令对PID控制器的初始值进行任意设置：Kc= l;Ti= l;Td=l;在Signal Constraint模块的时域性能约束窗口

3、中，设置阶跃响应曲线的调整时间为25、上升时间为15、 超调量为12和阶跃响应的优化终止时间为100,其余参数采用默认值。在Optimization中调入Kc、Td、 Ti参数的设置。在完成上述的参数设置过程后，用鼠标单击时域性能约束窗口中的运行按钮，便开始对系统中的PID 控制器模块的参数进行优化计算。该过程会持续一段时间。优化结束后，在系统模型窗口中再次启动仿真, 在示波器中便可得到如图3.3所示的单位阶跃响应曲线。该曲线应该就是优化结束后的最优曲线。由此可 见，PID控制器参数进行优化后，系统的动态性能指标完全满足设计要求。| Scope = | 回 MW昌图I-0叫，睛随la ak0.

4、80.60.40.2 / 1I/ : ；: :01-1111020406080100Time offset: 0图3.3优化后系统的单位阶跃响应在MATLAB窗口中可以利用以下命令，便可得到PID控制器的优化参数。 Kc,Ti,Td例如，某次优化后，参数为 Kc =11.3487, Ti =79.2736, Td =6.7375o(2)副控制器的设计接下来，进行副控制器的设计。为了便于系统模型图的绘制，我们将主控制器的PID模块进行封装。方法是：用鼠标选中PID局部结构，然后点击右键，选择Create Subsystem,然后该局部就会变成如图3.4 所示的模块图标。 imoutiSubsys

5、tem图3.4子系统封装后的图标为了便于理解，可将该封准的名字改为为PID Controller! o设串级控制系统所用副控制器控制规律为比例控制，传递函数为Gc, = Kcz。建立如图3.5所示的串级控制系统的Simulink结构图。StepStepSignal Constraint图3.5串级控制系统模型图在命令窗口运行Kc2=l;然后在Optimization中调入Kc2参数的设置。用鼠标单击时域性能约束窗口中的运行按钮，便开始对 系统中的PID控制器模块的参数进行优化计算。在优化计算过程中，系统的响应曲线变化情况在时域约束 窗口中显示。优化结束后，在MATLAB窗口中可以利用以下命令，

6、便可得到PID控制器的优化参数： Kc,Ti,Td,Kc2注意这个命令后面不要加;例如，某次仿真优化结果为 Kc =13.1013, Ti =55.9981, Td =5.4258, Kc2= 1.1042o1 .抗干扰能力分析对于串级控制系统，扰动进入的位置与系统的抗干扰特性密切相关。对于进入副回路的扰动，串级控 制系统具有很强的抗干扰能力。在串级控制系统的副回路中加入干扰项后的Simulink仿真图如图3.6所示。图3.6副控制回路干扰仿真模型图在系统模型窗口图3.6中，将阶跃信号Stepl和Step2模块的起始时间(Step time)分别设为50和60, 其终值(Final value

7、)分别设为2和-2。也可以将比拟点下面那个“ + ”号修改为号，那么阶跃信号的终值 均可设置为2。也就是相当于在时间占5060之间，对系统的副回路叠加了一个幅度为2,持续时间为10 的一个脉冲扰动信号。运行后可由Scopel辅助观察波形。将仿真的停止时间设置为150,其余参数采用默认值。启动仿真，便可从Scope得到串级控制系统对 进入副回路干扰的抗干扰特性曲线，将示波器中的数据转存到workspace,然后在命令窗口绘制曲线，将 该复制粘贴到实验报告中。a Scope| = | 回a Scope| = | 回图3.7由虚拟示波器观察到的副回路干扰的响应波形图3.8 主控制回路干扰仿真模型图图

8、3.9由虚拟示波器观察到的副回路干扰的响应波形如果将同样的扰动项加在主回路中，如图3.8所示。在系统模型窗口图3.8中，将阶跃信号Step!和Step2模块的起始时间(Step time)分别设为150和160, 其终值(Final value)分别设为2和-2。也就是相当于在时间占150160之间，对系统的副回路叠加了一个幅 度为2,持续时间为10的一个脉冲扰动信号。运行后可由Scopel辅助观察波形。将仿真的停止时间设置为400,其余参数采用默认值。启动仿真，便可从Scope得到串级控制系统对 进入副回路干扰的抗干扰特性曲线，将示波器中的数据转存到workspace,然后在命令窗口绘制曲线，将 该复制粘贴到实验报告中。四、实验报告要求.根据只含有主控制器的控制系统的单位阶跃响应曲线，估计系统阶跃响应的超调量、上升时间和过渡 过程时间大约为多少？1 .根据串级控制系统的单位阶跃响应曲线，估计系统阶跃响应的超调量、上升时间和过渡过程时间大约 为多少？2 .比拟等效简单控制系统和串级控制系统的抗干扰能力，并分析对一次和二次干扰的克服能力。3 .将你实验过程中得到的各个曲线黏贴到实验报告中。4 .根据附录实验报告格式和以上要求写出实验报告。