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1、.自动化仪表与过程控制课程大作业自动化仪表与过程控制课程大作业1、（15 分）如下图为加热炉的两种控制方案。试分别画出（a）、（b）所示两种情况的方框图，说明其调节过程并比较这两种控制方案的特点。2、（15 分）如下图为一液体储槽，需要对液位加以自动控制。为安全起见，储槽液体严格禁止滥出，试在下述两种情况下，分别确定调节阀的气开、气关型式与调节器的正、反作用。（1）选择流入量 Qi 为操纵变量；（2）选择流出量 Q0 为操纵变量。（3）以上 2 种情况分别出其系统框图。解（1）当选择流入量 Qi 为操纵变量时，为满足贮槽液体严格禁止溢出的工艺要求，执行器应为气开阀；由于被控对象是“正”作用，所
2、以，控制器应为“反”作用。1/16.（2）当选择流入量 Qo 为操纵变量时，为满足贮槽液体严格禁止溢出的工艺要求，执行器应为气关阀；此时被控对象是“反”作用，所以，控制器应为“反”作用。3、（20 分）（用 MATLAB 仿真实现）实验测得某液位过程的矩形脉冲响应数据如下：t(s)010002200.8200.20.22400.7400.60.82600.7601.22.02800.6801.63.63000.61001.85.43200.41202.07.43400.21401.99.33600.21601.7113801801.612.6400h(cm)0Ht(s)0200h(cm)1H0
3、.150.1518.113.614.415.115.816.417.017.417.617.817.95矩形脉冲幅值=20%阀门开度变化，脉冲宽度t=20s：（1）将该矩形脉冲响应曲线转化为阶跃响应曲线；（2）根据阶跃响应曲线确定该过程的数学模型与相关参数（如 K、T 和等），并根据这些参数整定 PI 控制器的参数，用仿真结果验证之。程序：按一阶环节计算t=0 10 20 40 60 80 100120140160180 200 220 240260 280 300 320340360380400;h=0 0 0.2 0.82.03.65.47.49.311.0 12.6 13.614.4 1
4、5.1 15.8 16.417.017.417.617.817.95 18.1;2/16.plot(t,h);grid on;hold on;y1=0.39*18.1;y2=0.63*18.1;plot(0,400,y1,y1);plot(0,400,y2,y2);x1,y2=ginput(1);x2,y2=ginput(1)输出结果为x1=117.5115y1=7.0468x2=164.5161y2=11.4327波形3/16.20181614121086420050100150200250300350400t1=117.5t2=164.5可得：t1=117.5 t2=164.5T0 2(t
5、2t1)94 2t1t2 70.5验证：T0 0.6410 0.552418.115.7 0.867当t5(2T0)158时，y*(258)18.1当t4(0.8T0)145时，y*(145)符合条件。K0h()h()18.1 90.5u0.2W（0s）K0s90.570.5seeT0s194s1PI 整定：KpK00.9(T0)10.0824/16.Ti3.33(T0)0.3(T0)2T012.2(T0)KiKpTi可得Kp 0.01644Ti87.991 Ki 0.00019仿真模型PIDStepDiscretePID ControllerGain190.594s+1Transfer Fc
6、nTransportDelayScope当延迟为 0 时得到：不断更改Kp和Ki的数值，当Kp 0.0135Ki 0.0000019时，得到以以下图形：5/16.由图形可以看出，基本实现 PI 调节，得到较为理想的波形。4、（25 分）已知副被控对象的传递函数为模型为G(s)G01(s)1，主被控对象传函为s 11，执行器传递函数为Gv(s)1，主检测变送器的传递函数为Gm1(s)1，12s 1副检测变送器的传递函数为Gm2(s)1。干扰源为 0.4 的单位阶跃信号。（1）画出串级控制系统的框图与同等条件下的单回路系统框图；（2）在 Matlab 的 Simulink 下完成上面的两个系统；（
7、3）设定 PID 调节器的参数，并画出相应的单回路与串级控制系统的单位阶跃响应曲线；串级控制系统：6/16.Step2Step11s+1StepDiscretePID Controller1DiscretePID ControllerTransfer Fcn1Gain11GainPIDPID112s+1Transfer Fcn1TransportDelayScope副回路 PID 整定：Step2StepScope1PIDStep1PID Controller1PIDPID Controller1s+1Transfer Fcn112s+1Transfer Fcn1ScopeGain1Gain1
8、1当副回路 PID 调节器参数设定为：Kp=0.5 Ki=5 Kd=0.0025时，得到以下输出波形7/16.调节 Kp。Kp=0.1 Ki=5 Kd=0.0025时，得到以下输出波形基本为 4；1 衰减Kp=0.1，Ts=3.Kp1Kp 0.088，Ki 0.11，Kd Kp0.1Ts 0.031.2s0.3Ts调整，使 Ki=18/16.主回路 PID 整定：Step2StepScope1PIDStep1PID Controller1PIDPID Controller1s+1Transfer Fcn112s+1Transfer Fcn1ScopeGain1Gain11Kp=1.5 时，Ts
9、=209/16.根据阻尼震荡整定公式：KpKp11.25，Ki 0.2，Kd Kp0.1Ts 2.51.2s0.3Ts经过调整：Kp=2，Ki=0.5，Kd=0.005，得到以下波形：完成整定单回路整定：10/16.Step2Step1PIDStep1PID Controller1s+1Transfer Fcn112s+1Transfer Fcn1ScopeGain11Kp=2.5 时，Ts=25-8=17Kp1Kp 2.08，Ki 0.4，Kd Kp0.1Ts3.5361.2s0.3Ts得到以下波形：11/16.当 Kp=2，Ki=0.5，Kd=0.005，得到以下波形：5、（25 分）已知
10、被控对象的传递函数为D(s)G(s)112s 1，干扰通道的传递函数为1s2 2s 5，执行器传递函数为Gv(s)1，检测变送器的传递函数为Gm1(s)1，干扰信号为 0.4 的单位阶跃信号。（1）确定前馈控制器的传递函数 Gff（s），画出反馈-前馈控制系统的框图；（2）在 Matlab 的 Simulink 下完成上面的两个系统；（3）设定 PID 调节器的参数，并画出相应的单位阶跃响应曲线12/16.（4）加入干扰后，观察两系统的阶跃响应曲线的变化。(1)前馈控制器传递函数Gf(s)(2)前馈系统1Step12s +2s+5Transfer Fcn1Transfer Fcn212s+12
11、s +2s+5D(s)12s1 2G(s)s 2s5StepPID1112s+1Transfer FcnScopePID ControllerGain1Gain1反馈前馈系统1Step12s +2s+5Transfer Fcn1Transfer Fcn212s+12s +2s+5StepPID1112s+1Transfer FcnScopePID Controller Gain1Gain1当 Kp=0.5，得到以下波形；Ts=33-9=2413/16.阻尼震荡法：Kp1Kp 0.416，Ki 0.05，Kd Kp0.1Ts 0.9981.2s0.3Ts波形错误。经过调整，Kp=1，Ki=0.6，Kd=0.0998，得到以下波形：14/16.要求：1、第 1 和第 2 题可以采用手写，其它 3 题要进行仿真设计，手写和打印均用 A4 纸；2、严禁抄袭，发现雷同，一律不与格；3、时间安排：12 月 10 日下午 4 点前，以班级为单位收齐后交到东6B301，未位交的一律不准参加答辩。12 月 11 日-12 日在东 6B301 答辩，具体时间到时再通知，不参加答辩的按缺考处理。15/16.16/16