过程控制系统实验指导书2

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《过程控制系统》实验指导书
电气工程与自动化专业

彩霞 广义 编

科学技术学院
2013年9月
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前 言
过程控制是工业自动化的重要分支。近年来，工业过程控制取得了快速的发
展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，
过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。

《过程控制系统》是自动化专业的主要专业课程之一。作为《过程控制系统》
实验部分，起到了加强学生对课程理论体系理解，提高理论结合实际的能力。本
实验指导书包括六个部分的容，从被控过程建立数学模型出发，分别设有单回路
控制系统的建模与仿真、串级控制系统的建模与仿真、前馈控制系统、大滞后过
程预估计补偿控制系统，根据过程控制系统的本质与特点，系统地讨论了各种控
制系统的建模方法，力图使学生掌握过程控制系统分析、设计基本原理和技术。
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目 录
实验一 单回路控制系统的建模与仿真………………………………1
实验二 串级控制系统的建模与仿真…………………………………3
实验三 前馈控制系统…………………………………………………5
实验四 大滞后过程预估计补偿控制系统………………………………7
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实验一 单回路控制系统的建模与仿真
一、 教材P164习题12要求：1. 建立数学模型；2.整定调节器参数值；3.仿真调试

二、 对给定被控过程，设计调节器
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三、 对给定被控过程，设计调节器
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实验二 串级控制系统的建模与仿真

1. 对给定三阶系统，设计单回路PID调节器，观察并记录曲线，上升时间、超调量、
调节时间、稳态误差。改变PID参数值，观察输出曲线的变化规律。

2. 设计串级控制调节器，观察并记录曲线，上升时间、超调量、调节时间、稳态误差。
改变调节器参数值，观察输出曲线的变化规律。
比较两种控制方案，从中可得到什么结论?

3. 假设隧道窑的燃烧室、烧成带的数学模型为惯性加纯滞后环节1)(00sTKesGs，分别
为1750SeGs和150101SeGs，其控制系统的框图为：

图１隔焰式隧道窑温度控制系统框图
阶跃信号 检测变送 控制器 燃烧室 烧成带
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1. 请根据已知的燃烧室、烧成带的数学模型对隔焰式隧道窑温度进行控制，使其满足
超调小于40%，用Matlab进行仿真，并给出仿真图形
2. 在此基础上设计串级控制回路，画出串级控制系统框图，用Matlab进行仿真，并给
出仿真图形。
3. 给出加入一次扰动、二次扰动的仿真图，比较在单回路控制及串级控制作用下，同
时加入一次扰动、二次扰动的仿真结果。
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实验三 前馈控制系统

1. 对给定惯性纯滞后过程对象、观察单回路PID调节器曲线，并记录上升时间、超调量、
调节时间、稳态误差。
2. 加入扰动，观察记录输出曲线的变化。

3. 引入静态前馈，观察记录曲线的变化。
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4. 引入动态前馈，观察记录曲线的变化。

5. 假设某一工业生产过程的控制通道的传递函数为：1601151600•SeSGs，干扰通道
的传递函数为：1508.0SGd，

1）引入静态前馈，观察记录曲线的变化，超调要求小于20%，并记录上升时间、超
调量、调节时间、稳态误差。
2） 引入动态前馈，观察记录曲线的变化，超调要求小于20%，并记录上升时间、
超调量、调节时间、稳态误差。
提示：在matlab仿真中，为了便于观察结果，需把仿真时间设置的长些，本题可设置为1000。
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实验四 大滞后过程预估计补偿控制系统

1. 对给定惯性过程加入PI调节器后，观察记录阶跃响应曲线。

2. 过程引入大滞后，观察记录阶跃响应曲线。
3. 系统采用smith预估补偿方案，观察记录响应曲线，从中可得出什么结论？
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4. 综合题

1）假设被控对象的数学模型为03(101)(251)GSS，设计PI控制，使其超调控制在
55%以下，用Matlab进行仿真，

2）加入纯滞后环节后变为：1003(101)(251)sGeSS，观察系统输出波形，用
Matlab进行仿真，
3）设计Smith预估补偿控制，并求其输出波形，用Matlab进行仿真。