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天津大学 控制系统分析与设计仿真课设
天津大学自动化学院
控制系统分析与设计
单容自衡对象
改变放大系数K
改变时间常数T
多容非自衡过程
多容非自衡系统,改变T1或改变T2
系统的响应曲线的变化差别不大
多容自衡过程
时间常数越大,系统反应越慢,上升时间越长
放大系数越大,系统发硬越快,上升时间越短
改变多容的阶数
设计单回路,掌握PID三个参数对控制系统性能的影响;
纯比例控制
比例控制的作用是:加快反应速度,减小余差,同时也加强震荡
比例作用加入积分:
积分作用的效果:最显著的效果是消除稳态误差,只有有积分作用就能消除,而与积分作用的大小无关,同时也引入不稳定因素,积分作用越大,则加强震荡,因此加大超调量,使调节时间变长。
比例加微分作用:
微分作用的效果:加入微分作用,可针对时滞较大的系统,加快上升时间,同时用预测控制的方法,减小超调量。同时加强系统的稳定性。
比例积分微分作用:
将比例积分微分作用与纯比例作用,比例积分作用,和比例微分作用相对比:
发现,凡是有积分作用的就没有余差,微分作用只是起到的减小峰值从而减小超调量,加快上升时间的作用。在仿真图中,PID控制的效果曲线最佳。
对单回路其他环节进行模拟仿真
对执行环节
可见,执行环节的时间常数越大,仿真曲线震荡越剧烈,严重变形,需要重新设定PID参数才能使其达到目标反应曲线。需要加大比例作用和微分作用,减小积分作用。
对于执行环节时间常数为T=5,对比校正后的和矫正前的曲线:
对控制对象
时间常数较大的被控对象,反应较为迟缓,超调也大,加大比例控制作用Kp,曲线有明显改善。
被控对象时间常数为T=25,对比图:
对检测变送环节
加大检测变送环节的时间常数后,时间常数越大震荡越激烈,超调量越大
应该减小积分作用,加大微分作用:
对于检测变送环节时间常数为T=1时,对比图:
深入理解
放大近虚轴出可得
深入理解
Gm1 =61.7079
Pm1 =66.4267
Wcg1 =10.3312
Wcp1 =0.5742
Gm2 =6.1708
Pm2 =22.0233
Wcg2 =10.3312
Wcp2 =2.4861
串级控制系统的设计,与单回路比较;
在第100秒加入一次扰动,在第200秒加入第二次扰动
发现串级控制系统在抑制二次扰动的效果上有明显优势。
前馈控制系统设计,与单回路比较;
加入幅值为10的扰动,扰动越大,前馈对比单回路的优势越明显
动态前馈 在40S 时加入
动态前馈完全补偿
其它控制系统设计,与单回路比较;
比值控制与单回路控制比较:
数字PID控制算法的实验研究。
第二部分 液位课程设计
设计一 被控对象的实验建模
一、设计要求
了解水槽控制系统的结构及组成;
掌握响应曲线法建立数学模型;
熟悉Honeywell数字调节器的用法及调试;
对整个水槽控制系统有一个整体了解;
单回路控制系统的最佳参数的计算方法。
二、设计步骤
设计控制系统接线图;并联好线。
给仪器上电,并且打开水泵,同时缓慢打开管道上的阀门。
把调节器调至手动状态,调节输出使其固定在一个定值。
当液位稳定后,打开记录仪开始记录,然后突然改变调节器的输出,使调节阀的开度突然增加或减少。
用记录仪记录下液位的变化情况,直到液位稳定。
用响应曲线法计算出一阶水槽的数学模型;
根据表1-1计算出单回路控制系统的最优参数。
三、实验建模
接线图如下
响应曲线法整定一阶模型: G (S) = [ K0 / (T0S+1) ] e -τs
当t—∞时,h(∞)-h(0)=Kx0,因而有
K== (2-6)
当t=T时,则有
h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h(∞) (2-7)
下图为 阀门开度变化为从15%到25% Δ=10%
由图得 K=3.2 T0=55.6s =10s
1、合理选择阶跃扰动量,通常使调节器输出增加10%或减少10%。
2、实验应在相同条件下重复做几次,需获得两次以上的比较接近的响应曲线,减小干扰的影响。
3、实验应在阶跃信号作正、反方向变化时分别测出其响应曲线,以检验被控过程的非线性程度。
4、在实验前,即在输入阶跃信号前,被控过程必须处于稳定的工作状态。在一次实验完成后,必须使被控过程稳定一段时间后,再施加测试信号作第二次实验。
5、记录仪参数设置:首先调整好记录仪零点;设置量程为:5v;设置走纸速度:12mm/min
设计二 一阶单回路控制系统参数整定
一、设计要求
1、熟悉实验系统,了解各仪表的功能及有关操作。
2、利用所提供的实验设备,设计组成一个一阶单回路液位控制系统。
3、了解闭环控制系统的特性。
4、熟练掌握单回路控制系统的参数整定过程;
5、了解PID各参数
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