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1、.1/16 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，所以，控制器应为“
2、反”作用。.2/16（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)0 10 20 40 60 80 100 120 140 160 180 h(cm)0 0 0.2 0.6 1.2 1.6 1.8 2.0 1.9 1.7 1.6 H 0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 7.4 9.3 11 12.6 t(s)200 220 240 260 280 300 320 340 360 380
3、 400 h(cm)1 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.4 0.2 0.2 0.15 0.15 H 13.6 14.4 15.1 15.8 16.4 17.0 17.4 17.6 17.8 17.95 18.1 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 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 30
4、0 320 340 360 380 400;h=0 0 0.2 0.8 2.0 3.6 5.4 7.4 9.3 11.0 12.6 13.6 14.4 15.1 15.8 16.4 17.0 17.4 17.6 17.8 17.95 18.1;.3/16 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=117.5115 y1=7.0468 x2=164.5161 y2=11.4327 波形
5、.4/16 05010015020025030035040002468101214161820t2=164.5t1=117.5 可得：t1=117.5 t2=164.5 94)(2120ttT 5.70221tt64.00T 验证：当145)8.0(04Tt时，5524.01.1810)145(*y 当158)2(05Tt时，867.01.187.15)258(*y 符合条件。5.902.01.18)()(0uhhK ssesesTKW5.700001945.901s）（PI整定：082.0)(9.0100TKKp.5/16)(2.21)(3.0)(33.302000TTTTTi ipiTKK
6、 可得01644.0pK991.87iT00019.0iK 仿真模型TransportDelay90.594s+1Transfer FcnStepScope1GainPIDDiscretePID Controller 当延迟为 0 时得到：不断更改pK和iK的数值，当0135.0pK0000019.0iK时，得到以以下图形：.6/16 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11)(ssG，主被控对象传函为1121)(01ssG，执行器传递函数为1)(sGv，主检测变送器的传递函数为1)(1sGm，副检测变送器的传递函数为1)(
7、2sGm。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；（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：.7/16 TransportDelay112s+1Transfer Fcn11s+1Transfer FcnStep2Step1StepScope1Gain11GainPIDDiscretePID Controller1PIDDiscretePID Controller 副回路 PID 整定：112s+1Transfer Fc
8、n11s+1Transfer FcnStep2Step1StepScope1ScopePIDPID Controller1PIDPID Controller1Gain11Gain 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.8/16 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=3.088.02.11spK，11.03.0spiTKK，03.01.0spdTKK 调整，使 Ki=1.9/16 主回路 PID 整定：112s+1Transfer Fcn11s+1Tr
9、ansfer FcnStep2Step1StepScope1ScopePIDPID Controller1PIDPID Controller1Gain11Gain Kp=1.5 时，Ts=20 .10/16 根据阻尼震荡整定公式：25.12.11spK，2.03.0spiTKK，5.21.0spdTKK 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：.11/16 112s+1Transfer Fcn11s+1Transfer FcnStep2Step1StepScopePIDPID Controller11Gain1 Kp=2.5 时，Ts=25-8=
10、17 08.22.11spK，4.03.0spiTKK，536.31.0spdTKK 得到以下波形：.12/16 当 Kp=2，Ki=0.5，Kd=0.005，得到以下波形：5、（25 分）已知被控对象的传递函数为1121)(ssG，干扰通道的传递函数为521)(2sssD，执行器传递函数为1)(sGv，检测变送器的传递函数为1)(1sGm，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.13/16（4）加入干扰
11、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52112)()()(2ssssGsDsGf(2)前馈系统 12s+1s +2s+52Transfer Fcn21s +2s+52Transfer Fcn1112s+1Transfer FcnStep1StepScopePIDPID Controller1Gain11Gain 反馈前馈系统 12s+1s +2s+52Transfer Fcn21s +2s+52Transfer Fcn1112s+1Transfer FcnStep1StepScopePIDPID Controller1Gain11Gain 当 Kp=0.5，得到以下波形；Ts=33-9=24 .14/16 阻尼震荡法：416.02.11spK，05.03.0spiTKK，998.01.0spdTKK 波形错误。经过调整，Kp=1，Ki=0.6，Kd=0.0998，得到以下波形：.15/16 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。.16/16