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1、过程控制系统课程设计过程控制系统课程设计n设计课题一（必做）：设计课题一（必做）：工业被控过程建模与控制器的工程工业被控过程建模与控制器的工程整定整定n设计选题二（选做）：设计选题二（选做）：工业过程控制系统计算机监控界面的工业过程控制系统计算机监控界面的设计设计 必做选题设计内容必做选题设计内容n三大部分：三大部分：工业被控过程的工业被控过程的机理建模机理建模工业被控过程的工业被控过程的试验建模试验建模控制系统的控制系统的工程整定工程整定工业被控对象工业被控对象n典型控制系统框图（单闭环）典型控制系统框图（单闭环）广义被控对象广义被控对象工业被控过程的建模工业被控过程的建模n机理法机理法n试
2、验法（分为：时域法；频域法；统试验法（分为：时域法；频域法；统计相关法）计相关法）n混合建模混合建模 本设计中使用时域法中的本设计中使用时域法中的阶跃响应曲阶跃响应曲线法线法：对处于开环、稳态的被控过程，使对处于开环、稳态的被控过程，使其输入量作阶跃变化，测得被控过程的阶其输入量作阶跃变化，测得被控过程的阶跃响应曲线，求出被控过程输入与输出之跃响应曲线，求出被控过程输入与输出之间的动态数学关系间的动态数学关系传递函数。传递函数。工业被控过程的建模工业被控过程的建模n切线法确定一阶环节参数切线法确定一阶环节参数MATLAB 软件简介软件简介nMATLAB这个词代表这个词代表“矩阵实验室矩阵实验室
3、”（matrix laboratory）。它的基）。它的基本数据元素是没有维数限制的阵列本数据元素是没有维数限制的阵列（矩阵）。（矩阵）。MATLAB 软件简介软件简介n MATLAB是一种高效的工程计算语言，是一种高效的工程计算语言，其典型应用主要包括以下几个方面：数其典型应用主要包括以下几个方面：数学计算；学计算；算法开发；算法开发；系统建模和仿真；系统建模和仿真；数据分析和可视化；数据分析和可视化；科学和工程绘图；科学和工程绘图；MATLAB变量变量n定义变量并给变量赋值命令定义变量并给变量赋值命令n 可直接在命令窗口中输入：变量名可直接在命令窗口中输入：变量名=元素值元素值。例如定义变
4、量例如定义变量A为矩阵为矩阵MATLAB变量变量n可直接在命令窗口中输入可直接在命令窗口中输入A=1,2,3,4;5,6,7,8;9,10,11,12。n注意：同一行内不同列元素用空格或逗注意：同一行内不同列元素用空格或逗号分隔开，不同行之间用分号分隔。又号分隔开，不同行之间用分号分隔。又如可直接在命令窗口中输入一个行向量如可直接在命令窗口中输入一个行向量A=1,2,3,4,5。MATLAB二维绘图简介二维绘图简介n使用使用plot命令绘制图形命令绘制图形n其中其中x,y可为向量或矩阵可为向量或矩阵,当当x,y同为同为n维维向量时，使用该命令，将绘制出以向量向量时，使用该命令，将绘制出以向量x
5、的元素为横坐标，的元素为横坐标，y向量对应元素为纵坐向量对应元素为纵坐标的图形。标的图形。控制器参数工程整定方法控制器参数工程整定方法n方法一：经验法方法一：经验法：根据经验和先验知识：根据经验和先验知识确定一组参数，然后根据各参数的影响，确定一组参数，然后根据各参数的影响，调整参数，直至满意为止。调整参数，直至满意为止。控制器参数工程整定方法控制器参数工程整定方法n方法二：临界比例度（带）法方法二：临界比例度（带）法：n比例度（带）(%)：与比例系数与比例系数Kc成成反比关系。反比关系。n这种整定方法是在闭环情况下进行的。这种整定方法是在闭环情况下进行的。设设TI=，TD=0，使控制器工作在
6、纯，使控制器工作在纯比例情况下，将比例带由大逐渐变小比例情况下，将比例带由大逐渐变小(对对应的比例系数应的比例系数Kc由小逐渐变大由小逐渐变大)，使系统，使系统的输出响应呈现等幅振荡。的输出响应呈现等幅振荡。临界比例度法临界比例度法临界比例度法整定经验公式临界比例度法整定经验公式STi(S)Td(S)P2SPI2.2STS/1.2PID1.6S0.5TS0.125TSn最后对参数进行微调，直到动态过程满意为止。最后对参数进行微调，直到动态过程满意为止。控制器参数工程整定方法控制器参数工程整定方法n方法三：衰减曲线法方法三：衰减曲线法：在闭环系统中，：在闭环系统中，先把控制器设置为纯比例作用，然
7、后把先把控制器设置为纯比例作用，然后把 比例带由大逐渐减小比例带由大逐渐减小(对应的比例系数对应的比例系数Kc由小逐渐变大由小逐渐变大)，加阶跃扰动观察输出响，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现应的衰减过程，直至出现4:1衰减过程为衰减过程为止。止。衰减曲线法衰减曲线法n这时的比例带称为这时的比例带称为4:1衰减比例带，用衰减比例带，用S表示之。相邻两波峰间的距离称为表示之。相邻两波峰间的距离称为4:1衰衰减周期减周期TS，记录记录S和和TS。衰减曲线法衰减曲线法n按如下经验公式整定按如下经验公式整定 （%）TI(S)TD(S)PSPI1.2S0.5TSPID0.8S0.3TS0.1
8、TS n最后对参数进行微调，直到动态过程满意为止。最后对参数进行微调，直到动态过程满意为止。n方法四：响应曲线法方法四：响应曲线法：如果被控对象是：如果被控对象是一阶惯性环节一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例带法或阻尼振惯性环节，若用临界比例带法或阻尼振荡法（荡法（4:1衰减）就有难度。对于这种情衰减）就有难度。对于这种情况，可采用下述的响应曲线法来整定控况，可采用下述的响应曲线法来整定控制器的参数。制器的参数。控制器参数工程整定方法控制器参数工程整定方法响应曲线法响应曲线法n方法三：响应曲线法：方法三：响应曲线法：令控制器的令控制器的输输出出为为幅
9、度幅度为为x0,的阶跃信号，则对象经测量变送器后的输出的阶跃信号，则对象经测量变送器后的输出Y（t）。）。响应曲线法响应曲线法n由该图可确定由该图可确定、T和和 Kc。响应曲线法响应曲线法n通过下式将比例系数转化为比例度：通过下式将比例系数转化为比例度：响应曲线法响应曲线法n利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4:1时控制器的相关参数。时控制器的相关参数。使用使用MATLAB建立仿真模型建立仿真模型n首先在命令窗口中键入首先在命令窗口中键入“simulink”命命令或在令或在MATLAB工具条上用鼠标左键单工具条上用鼠标左键单击相应的
10、工具按钮都可以起动击相应的工具按钮都可以起动simulink模块库浏览器窗口。模块库浏览器窗口。simulink模块库浏览器窗口模块库浏览器窗口模块库目录树新建仿真模型新建仿真模型 设置仿真时间设置各模块参数设置各模块参数、保存模型、保存模型、运行仿真运行仿真 n上述仿真模型各个模块可从上述仿真模型各个模块可从Continuous、Math Operations、Sinks、Sources子库中找到。子库中找到。被控对象的单位阶跃响应数据被控对象的单位阶跃响应数据n被控对象的单位阶跃响应数据见任务书。被控对象的单位阶跃响应数据见任务书。n注意：注意：数据分为数据分为3个版本，分别对应学号：个版本，分别对应学号：3n，3n+1，3n+2。设计报告内容及格式要求设计报告内容及格式要求n详细要求见设计任务书。详细要求见设计任务书。n注意：注意：1.封面和评分表使用统一给定的格式。封面和评分表使用统一给定的格式。2.将任务书装订到设计报告的最前面（封将任务书装订到设计报告的最前面（封面之后）。面之后）。3.将成绩评定表装订到设计报告的最后面将成绩评定表装订到设计报告的最后面（最后一页）。（最后一页）。课程设计报告装订顺序课程设计报告装订顺序从前到后依次为：从前到后依次为：n封面（给定）任务书（给定）目录正文参考文献（不少于5个）评分表（给定）