过程控制系统仿真实验指导
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过程控制系统Matlab/Simulink仿真实验
实验一 过程控制系统建模 ............................................................................................................. 1
实验二 PID控制 ............................................................................................................................. 2
实验三 串级控制 ............................................................................................................................. 6
实验四 比值控制 ........................................................................................................................... 13
实验五 解耦控制系统 ................................................................................................................... 19
附:子系统封装 ............................................................................................................................... 26
实验一 过程控制系统建模
指导内容：（略）
作业题目一：
常见的工业过程动态特性的类型有哪几种？通常的模型都有哪些？在Simulink中建立相应模型，并求单位阶跃响应曲线。
作业题目二：
某二阶系统的模型为2() 224nGsssnn，二阶系统的性能主要取决于，n两个参数。试利用Simulink仿真两个参数的变化对二阶系统输出响应的影响，加深对二阶系统的理解，分别进行下列仿真：
（1）2n不变时，分别为0.1, 0.8, 1.0, 2.0时的单位阶跃响应曲线；
（2）0.8不变时，n分别为2, 5, 8, 10时的单位阶跃响应曲线。 实验二 PID控制
指导内容：
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，它根据被控过程的特征确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
（1） 理论计算整定法
主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
（2） 工程整定方法
主要有Ziegler-Nichols整定法、临界比例度法、衰减曲线法。这三种方法各有特点，其共同点都是通过实验，然后按照工程实验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
工程整定法的基本特点是：不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定；方法简单，计算简便，易于掌握。
a． Ziegler-Nichols整定法
Ziegler-Nichols整定法是一种基于频域设计PID控制器的方法。基于频域的参数整定是需要考虑模型的，首先需要辨识出一个能较好反映被控对象频域特性的二阶模型。根据这样的模型，结合给定的性能指标可推导出公式，而后用于PID参数的整定。
基于频域的设计方法在一定程度上回避了精确的系统建模，而且有较为明确的物理意义，比常规的PID控制可适应的场合更多。目前已经有一些基于频域设计PID控制器的方法，如Ziegler-Nichols法、Cohen-Coon法等。Ziegler-Nichols法是最常用的整定PID参数的方法。
如果单位阶跃响应曲线看起来是一条S形的曲线，则可用此法，否则不能用。S形曲线用延时时间L和时间常数T来描述，则对象的传递函数可以近似为：
()()1LsCsKeRsTs
利用延时时间L、放大系数K和时间常数T，根据表一中的公式确定pK，iT和的值。
表一 Ziegler-Nichols整定法
控制器类型 比例度/% 积分时间iT 微分时间
P *KLT 0
PI *1.1KLT 0.3L 0
PID *0.85KLT 2.2L 0.5L
b． 临界比例度法
临界比例度法适用于已知对象传递函数的场合，在闭环的控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例度称为临界比例度k，两个相邻波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期kT。采用临界比例度法时，系统产生临界振荡的条件是系统的阶数是3阶或3阶以上。
临界比例度法的步骤如下：
（1）将调节器的积分时间iT置于最大（iT），微分时间置零，比例度适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行；
（2）将比例度逐渐减小，得到等幅振荡过程，记下临界比例度k和临界震荡周期kT的值；
（3）根据k和kT值，采用表二的经验公式，计算出调节器的各个参数，即、iT和的值。
表二 临界比例度法整定控制器参数
控制器类型 比例度/% 积分时间iT 微分时间
P 2k 0
PI 2.2k 0.883k 0
PID 1.7k 0.50kT 0.125kT
按“先P后I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算数值上。若还不够满意，可再作一步调整。
临界比例度法注意事项：
（1）有的过程控制系统，临界比例度很小，调节阀不是全关就是全开，对工业生产不利；
（2）有的过程控制系统，当调节器比例度调到最小刻度值时，系统仍然不产生等幅振荡，对此，将最小刻度的比例度作为临界比例度k进行调节器参数整定。
c． 衰减曲线法
衰减曲线法根据衰减频率特性整定控制器参数。先把控制系统中调节器参数置成纯比例作用（,0iT），使系统投入运行，再把比例度从大到小逐渐调小，直到出现4:1衰减过程曲线。此时比例度为4:1，衰减比例度为s，上升时间为rt，两个相邻波峰间的时间间隔为sT，称为4:1衰减振荡周期。
根据s，rt，sT，使用表三的经验公式可以计算出调节器的各个整定参数值。 表三 临界比例度法整定控制器参数
控制器类型 比例度/% 积分时间iT 微分时间
P s
0
PI 1.2s r2t或0.5sT 0
PID 0.8s r1.2t或0.3sT r0.4t或0.1sT
按“先P后I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算数值上。若还不够满意，可再作一步调整。
衰减曲线法的注意事项：
（1）对于反应较快的系统，要认定4:1衰减曲线和读出sT比较困难，此时，可以认为记录指针来回摆动两次就达到稳定是4:1衰减过程。
（2）在生产过程中，负荷变化会影响过程特性。当负荷变化较大时，必须重新整定调节器参数。
（3）若认为4:1衰减太慢，可采用10:1衰减过程。对于10:1衰减曲线整定调节器参数的步骤与上述完全相同，仅仅是计算公式不同。
作业题目：
建立如下所示Simulink仿真系统图。
利用Simulink仿真软件进行如下实验： 1. 建立如图所示的实验Simulink原理图。
2. 双击原理图中的PID模块，出现参数设定对话框，将PID控制器的积分增益和微分增益改为0，使其具有比例调节功能，对系统进行纯比例控制。
3. 进行仿真，观测系统的响应曲线，分析系统性能；然后调整比例增益，观察响应曲线的变化，分析系统性能的变化。
4. 重复（步骤2,3），将控制器的功能改为比例微分控制，观测系统的响应曲线，分析比例微分的作用。
5. 重复（步骤2,3），将控制器的功能改为比例积分控制，观测系统的响应曲线，分析比例积分的作用。
6. 重复（步骤2,3），将控制器的功能改为比例积分微分控制，观测系统的响应曲线，分析比例积分微分的作用。
7. 将PID控制器的积分微分增益改为0，对系统进行纯比例控制。不断修改比例增益，使系统输出的过度过程曲线的衰减比n=4，记下此时的比例增益值。
8. 修改比例增益，使系统输出的过度过程曲线的衰减比n=2，记下此时的比例增益值。
9. 修改比例增益，使系统输出呈现临界振荡波形，记下此时的比例增益。
10. 将PID控制器的比例、积分增益进行修改，对系统进行比例积分控制。不断修改比例、积分增益，使系统输出的过渡过程曲线的衰减比n=2,4,10，记下此时比例和积分增益。
11. 将PID控制器的比例、积分、微分增益进行修改，对系统进行比例积分控制。不断修改比例、积分、微分增益，使系统输出的过度过程曲线的衰减比n=2,4,10，记下此时比例、积分、微分增益。实验三 串级控制
指导内容；
例一：串级与单回路控制对比仿真
某隧道窑炉系统，考虑烧成带温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统，其主副对象的传递函数Go1，Go2分别为：
11()(301)(31)oGsss， 221()(101)(1)oGsss
主副控制器的传递函数Gc1，Gc2分别为：1111()(1)ccGsKTs，22()ccGsK。试分别采用单回路控制和串级控制设计主副PID控制器的参数，并给出整定后系统的阶跃响应的特性响应曲线和阶跃扰动的响应曲线，并说明不同控制方案对系统的影响。
解：串级控制设计是一个反复调整测试的过程，使用Simulink能大大简化这一过程。根据题意，首先建立如图的Simulink模型。
图中采用单回路控制的Simulink图，其中，q1为一次扰动，取阶跃信号；q2为二次扰动，取阶跃信号；Go2为副对象；Go1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号；c为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。
图中的PID C1为单回路PID控制器，它是按照PID原理建立的Simulink中的子模块，其内部结构如下图所示：
