《热工过程自动调节》实验指导书高伟鲁录义编华中科技大学能源与动力工程学院二O一三年实验一 典型环节的动态特性一、 实验目的1． 通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的响应曲线，熟悉它们的动态特性。

2． 了解各典型环节中参数变化对其动态特性的影响。

二、 实验仪器与软件1．PC 机 1台2． MATLAB10.0环境三、 实验内容分别改变几个典型环节的相关参数，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况（曲线至少3条），并得出规律。

1) 比例环节（K ） 2) 积分环节（ST i 1） 3) 一阶惯性环节（ST Kc +1）4) 实际微分环节（D T S ） 5) 典型二阶环节（222nn nS S K ωξωω++）同时显示三条响应曲线时的仿真框图可采用如图1－1所求形式，其中传递函数的形式根据不同环节进行设置。

图1-1 多响应输出示意图四、 实验原理1． 比例环节的传递函数为K R K R R RZ Z s G 200,1002)(211212==-=-=-=其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-2所示。

图1-2 比例环节的模拟电路及SIMULINK 图形2． 积分环节(I)的传递函数为uf C K R ss C R Z Z s G 1,1001.011)(111112==-=-=-=其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-3所示。

图1-3 积分环节的模拟电路及及SIMULINK 图形3． 惯性环节的传递函数为uf C K R K RsC R R R Z Z s G 1,200,10012.021)(121121212===+-=+-=-=其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-4所示。

图1-4 惯性环节的模拟电路及SIMULINK 图形4． 微分环节(D)的传递函数为uf C K R s s C R Z Z s G 10,100)(111112==-=-=-= uf C C 01.012=<<其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-5所示。

图1-5 微分环节的模拟电路及及SIMULINK 图形5． 典型二阶环节的传递函数为22()2nn nK G s S S ωξωω=++ 其对应的模拟电路及SIMULINK 图形如图1-6所示。

图1-6二阶环节的模拟电路及及SIMULINK图形五、实验步骤1)运行MATLAB软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令，按Enter 键或在工具栏单击按钮，即可进入SIMULINK仿真环境下。

2)选择File菜单下New下的Model命令，新建一个simulink仿真环境常规模板。

3)参照图1-1，建立三个比例环节，如图1－7所示。

通过改变增益大小，查看对应的单位阶跃响应曲线，如图1－8所示。

图1－7 比例环节多输出模型图1－8 比例环节多输出示意4) 积分环节、实际微分环节、一阶惯性环节参考步骤2。

5) 典型二阶环节G(S)=222nn nS S K ωξωω++，在ξ与ωn 取不同值，观察对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）① 令ωn = 1 ，ξ取不同值：ξ1= 0 ；ξ2= 0.5 ,ξ3= 0.8（0<ξ<1）；ξ4=1；ξ5= 4（ξ≥1）； ② 令ξ= 0 ，ωn 取不同值：ωn 1= 1 ；ωn 2= 3 ； ③ 令ξ=0.216，ωn 取不同值：ωn 1= 1 ；ωn 2= 3 ；六、 实验报告要求1．画出各典型环节的SIMULINK 仿真模型。

2. 记录各环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。

3. 写出实验的心得与体会。

实验二 基于MATLAB 的PID 控制研究一、 实验目的：1．理解PID 的基本原理2．研究PID 控制器的参数对于系统性能的影响二、 实验仪器与软件1．PC 机 1台 2．MATLAB10.0环境三、 实验内容1、利用Matlab 软件，针对控制对象设计单闭环PID 控制系统2、 通过调节PID 控制器的参数，研究PID 控制参数对系统性能的影响四、 实验原理单闭环PID 的控制系统的作用框图如下：图2－1 单闭环PID 的控制系统比例(P)控制比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state error)。

比例控制作用及时，能迅速反应误差，从而减小稳态误差。

但是，比例控制不能消除稳输入—态误差。

其调节器用在控制系统中，会使系统出现余差。

为了减少余差，可适当增大P K ，P K 愈大，余差就愈小；但P K 增大会引起系统的不稳定，使系统的稳定性变差，容易产生振荡。

积分(I)控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

积分控制的作用是消除稳态误差。

只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。

积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。

这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。

积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。

微分(D)控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。

自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。

其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。

微分控制能够预测误差变化的趋势，可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高。

同时，加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

PID 控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用，又能提高系统的稳定性。

它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合，如温度控制、成分控制等。

图2－2为单位阶跃作用下，各个调节系统的阶跃响应曲线图2-2 阶跃响应整定法设计的P、PI、PID控制阶跃响应五、实验步骤1．运行MATLAB软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令，按Enter键或在工具栏单击按钮，即可进入SIMULINK仿真环境下。

2．选择File菜单下New下的Model命令，新建一个simulink仿真环境常规模板。

3．设定受控对象1()(51)(21)(101)G ss s s=+++构建单位负反馈PID闭环控制系统4．设定Kp=1、Ki=0、Kd=0，观察记录其单位阶跃响应曲线图2-3 设计Kp= 1 Ki=0Kd=0 时的PID控制器的模拟系统5．加入比例控制环节，令Kp=2、4、12.5、15 观察记录其反应曲线并记录下表比例系数超调量上升时间稳态误差图2-4 Kp=1、Ki=0、Kd=0 时的单位阶跃响应曲线6．加入积分控制环节固定Kp=4 Kd=0，完成下表并记录其单位阶跃响应积分系数0.1 0.2 0.3 0.4超调量调节时间（稳态误差2%时）稳态误差7．加入积分控制环节固定Kp=4 Ki=0.2，完成下表并记录其单位阶跃响应微分系数 2 5 10 50超调量调节时间（稳态误差2%时）稳态误差8．调整适合的PID，得到一条各方面均优于上述步骤的单位响应曲线六、实验报告要求1．画出各典型环节的SIMULINK仿真模型。

2. 记录各环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。

3．如何减小或消除稳态误差？纯比例控制环节能否消除稳态误差？4. 写出实验的心得与体会。

附录：Simulink仿真集成环境简介Simulink是可视化动态系统仿真环境。

1990年正式由Mathworks公司引入到MATLAB 中，它是Slmutation和Link的结合。

目前介绍Simulink的资料有很多，这里主要介绍它的基本使用方法和它在控制系统仿真分析和设计操作的有关内容。

1．进入Simulink操作环境双击桌面上的MATLAB图标，启动MATLAB，进入开发环境，如图0-1所示。

图0-1 MATLAB开发环境图0-2 Simulink图形库浏览器画面从MA TLAB的桌面操作环境画面进入Simulink操作环境有多种方法，介绍如下。

①点击工具栏的Simulink图标弹出如图0-2的图形库浏览器画面。

②在命令窗口键入“simulink”命令，可自动弹出图形库浏览器。

上述两种方法需从该画面“File”下拉式菜单中选择“New | Model”，或点击图标,得到图0-3的图形仿真操作画面。

图0-3 Simulink仿真操作环境画面③从“File”下拉式菜单中选择“New | Model”，弹出如图0—3所示的未命名的图形仿真画面。

本方法需从工具栏中点击图形库浏览器图标，调出图0—2的图形库浏览器画面。

图0-3用于仿真操作，图0—2的图形库用于提取仿真所需功能模块。

图0—4是已建立的一个一阶惯性加时滞对象的单回路控制系统仿真框图。

下面将对建立这样的仿真系统用到的一些具体操作作个介绍。

图0-4 仿真系统框图2．提取所需仿真模块在提取所需仿真模块前，应绘制仿真系统框图，并确定仿真所用的参数。

图0—2中的仿真用图形库，提供了所需的基本功能模块，能满足系统仿真的需要。

该图形库有多种图形子库，用于配合有关的工具箱。

下面将对本书中的实验可能用到的Simulink图形库中的功能模块作一个简单介绍。

（1）信号源模块组(Sources)信号源模块组包括各种各样的常用输入信号，如图0-5所示。

图0-5 信号源模块组·输入端口模块(In)——用来反映整个系统的输入端子，这样的设置在模型线性化与命令行仿真时是必需的。

·普通信号源发生器(Signal Generator)——能够生成若干种常用信号，如方波信号、正弦波信号、锯齿波信号等，允许用户自由地调整其幅值、相位及其它信号。

·读文件模块(From File)和读工作空间模块(From Workspace)——两个模块允许从文件或MATLAB工作空间中读取信号作为输入信号。

·时间信号模块(Clock)——生成当前仿真时钟，在与时间有关的指标求取中是很有意义的，例如获取系统的ITAE准则等。

(积分时间和绝对误差积分准则，Integrated Time and Absolute Error - ITAE。

按此准则设计的控制系统，瞬态响应的振荡性小，且对参数具有良好的选择性。