自动化仪表与过程控制课程大作业
1、（15分）如图所示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。
解：图A 为串级控制系统，主变量为加热炉出口温度T ，福变量为燃料油流量Q ，引入副变量Q 的目的是为了及时克服由于燃料油压力波动对主变量T 的影响，以提高主变量T 的控制质量。
图B 调节器TC 和FC 串级工作，但没有副回路，所以不是串级控制系统。
如果FC 选为比例调节器，那么原油的流量变化仍能及时通过FC 来改变燃料油的流量，起到静态前馈作用，而TC 能根据被控量Ø的变化起到反馈作用。
为前馈反馈控制系统，系统的被控变量时原油的出口温度T
两种控制系统的比较：
（1）（1）串级控制包含一个主回路和一个副回路，改善了被控制过程的动态特性，增强了对一次和二次扰动的克服能力，提高了对回路参数变化的自适应能力。
（2）从前馈控制角度，由于增加了反馈控制，降低了对前馈控制模型的精度要求，并能对未选做前馈信号的干扰产生校正作用。
从反馈控制角度，由于前馈控制的存在，对主要干扰作了及时的粗调作用，大大减少对控制的负担。
2、（20分）（用MATLAB仿真实现）某液位控制系统，在控制阀开度增加10%后，液位的响应数据如下：
t(s) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
h(mm) 0 0.8 2.8 4.5 5.4 5.9 6.1 6.2 6.3 6.3 6.3
（3）如果用具有延迟的一阶惯性环节近似，确定其参数K,T，，并根据这些参数整定PI控制器的参数，用仿真结果验证之。
（4）解：（1）输入命令
（5）t=[0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100];
（6）h=[0 0.8 2.8 4.5 5.4 5.9 6.1 6.2 6.3 6.3 6.3];
（7）plot(t,h);
（8）xlabel('时间t(s)');
（9）ylabel('液位h(mm)');
（10）grid on;
（11）hold on;
（12）[x,y]=ginput(1)
（13）[x1,y1]=ginput(1)
（14）gtext('tao=5.5326')
（15）gtext('T=34.3')
（16） gtext('h=6.3') （17） 得其阶跃响应曲线
（18）
时间t(s)
液位h (m m )
（19） 由上可得G(s)=
（20） （2）整定PI 参数 （21） K=63;T=34.3; tao=5.5 （22） s=tf('s'); （23） Gz=K/(T*s+1); （24） [np,dp]=pade(tao,2); （25） Gy=tf(np,dp); （26） G=Gz*Gy;
（27） PIKp=0.9*T/(K*tao); %阶跃响应整定法计算并显示PI 控制器 （28） PITI=3*tao;
（29） PIGc=PIKp*(1+1/(PITI*s)) （30） step(feedback(PIGc*G,1)),hold on
（31）
0102030405060708090100
-0.2
00.20.40.60.81
1.21.41.6
1.8Step Response
Time (seconds)
A m p l i t u d e
（32） 整定后的Kp=0.089；Ti=16.5； （33）
Gc=；
（34）
（35）
3、（20分）某隧道窑系统，考虑将燃料室温度作为副变量，烧成温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统中主、副对象的传递函数12,o o G G 分别为：11()(301)
o G s s =
+，
2
21
()(101)(1)o G s s s =
++，其中有一个10s 的传输延迟，其传递函数为10()s
d G s
e -=。
当延迟环节
分别放在主回路和副回路时，设计串级控制主、副PID 控制器的参数，并绘制出整定后的阶跃响应曲线，分析二次扰动系统的影响。
解：(1)当延迟环节放在主回路时在simulink 上仿真原理图如图所示：
采用阻尼振荡法调整参数如下：
①先将主回路开环，先整定副回路。
按单回路方法整定副控制器，当Kp2=5时，Scope1
显示控制阶跃响应曲线为衰减4:1。
如图所示：
②然后将主回路闭合，整定主回路参数。
采用动态特性参数法得到，当Kp1=3.5 Scope1
显示控制阶跃响应曲线为衰减4:1。
当调节Ti=0.1,Td=1.5时，其输出比较理想。
其相应图如图所示：
(2)当延迟环节放在副回路时在simulink上仿真原理图如图所示：
用逐步逼近法调整参数如下：
①先将主回路开环，先整定副回路。
当Kp2=1.0时，Scope1显示控制阶跃响应
曲线为衰减4:1。
如图所示：
③整定主回路参数，当Kp1=2.0 Scope1显示控制阶跃响应曲线为衰减4:1。
然后再调试
Ti参数。
调节Ti=0.1,Td=0.5时，其输出比较理想。
其相应图如图所示：
在串级控制系统中，二次扰动通过副回路调节，大大增强了系统对二次扰动的克服能力。
二次扰动对系统的影响：当燃烧室有扰动时，副调节器立即发出校正信号，控制调节阀开度，
改变燃烧量，克服扰动对炉膛温度的影响。
这样避免了在单回路控制系统中要等到输出变化时才发出校正信号带来的滞后。
能够较快地对副回路的干扰进行调节，使整个系统更加稳定。
5、(25分)温度流量解耦控制系统的设计与仿真 已知被控对象传递函数为：
111221221111
(),(),(),()10151141W s W s W s W s s s s s =
=-==++++，
控制器传递函数为
1122()1,()1
N s N s ==,采用对角阵解耦法来做。
1
1221(
),()
N s N s
解：N 12=-W 12/W 11,N 21=-W 21/W 222）画出温度流量解耦控制系统的系统方框图
3）画出无解耦控制器的控制系统的系统方框图
4）用Matlab的simulink画出上述两个系统
图为解耦控制系统
图为无解耦控制器的控制系统的系统方框图
5）选PID调节器的参数使解耦控制系统的控制性能较好，并画出系统的单位阶跃响应曲线解：选择PID参数，P=30,I=5,D=0
图为图为解耦控制系统阶跃曲线
图为无解耦控制器的控制系统的阶跃曲线
6）观察无解耦控制器时控制系统的耦合现象和有解耦控制器时控制系统的无耦合现象，并说明原因。
解：不带解耦网络每一输出都受两输入的影响，而带上解耦网络后，每一输出只受相应输入的影响，两输入之间去掉了联系。