控制系统设计与仿真实验报告

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1、电气与自动化工程学院控制系统设计与仿真实验报告姓名：裴加坤专业：自动化专业学号：同组者：汪志华赵昌通宋轶楠（1）了解Matlab的使用环境，掌握基本的Matlab编程语法和语句；（2）了解Simulink的使用环境，掌握Simulink的模块化编程步骤；（3）对所有过程控制系统对象进行分析，分析所有参数的变化情况；控制对象共分为单容和多容对象，其平衡特性分为自衡和非自衡以及滞后等过程，这里主要对单容和多容在自衡和非自衡的条件下进行研究。单容自衡系统：实验结果：K值的改变只影响系统的最终幅值，而与系统的特性无关。K值越大，系统的最终稳定值越高。改变T值：实验结果：可

2、以看出，在相同的阶跃输入作用下，时间常数越大，系统达到稳态所需的时间越长。单容非自衡系统：实验结果：T值越大，系统上升的速度越慢。多容自衡系统：实验结果：多容非自衡系统：实验结果：自衡系统最终会达到稳定，T值的不同，系统达到稳定的时间也不同。非自衡系统不会达到稳定状态。（1）对单回路控制系统的四个部分进行详细仿真；执行器：由图像可以看出，时间常数较小的执行器对偏差变化的响应速度较快，并且不会产生较大的超调。被控对象：被控对象参数设定不同，系统响应的曲线也不同。检测变送：设定检测变送环节的比例系数，由图像可知，系统输出与变送器的比例系数成反比。（1）深入理解PID控

3、制的原理；比例、积分、微分控制简称PID（Propotional-Integrate-Differential）控制，它是工业生产过程中最常用的控制算法。PID控制具有原理简单、适应性强、控制效果好的特点。理想的模拟式PID控制算法为（2）式中Kp——比例放大系数；Ti——积分时间常数；Td——微分时间常数。理想PID控制器的传递函数为（3）掌握PID三个参数对控制系统性能的影响；P作用的输出与偏差成比例，称为比例控制作用。特点：比例调节对系统的干扰有及时而有力的抑制作用；比例调节存在余差，不能做无静差调节；随着比例增益的增大，系统的稳定性变差。I作用的输出与偏差

4、的积分成比例，称为积分控制作用。特点：只要被控量存在偏差，积分输出就会随时间不断增加，当偏差为零时，控制器才会停止积分，保持一定的输出值不变；积分控制使过渡过程的动作迟缓，动态品质变坏，过渡过程时间延长，甚至造成系统不稳定。D作用的输出与偏差的微分成比例，称为微分控制作用。特点：微分作用反映系统偏差的变化率，能预见偏差变化趋势，因此能产生超前的控制作用；在稳态时微分部分输出为零，因此D作用不能消除稳态误差；微分对噪声信号有放大作用，因此过强的微分作用对系统抗扰性能不利；对于大时滞系统，微分控制不能改善系统品质。P控制：分别取K的值为5、10、15由曲线可知，比例调

5、节存在稳态误差。PI控制：取K=10，I=5、10、15由图像可以看出，随着积分时间常数减小，积分作用增强，系统稳定性降低，振荡加剧，调节时间也明显变大。而积分时间常数如果太大，积分作用太小，系统需要很长的过渡过程才能消除稳态误差。PID控制：由图像可以看出，随着微分时间常数增大，微分作用增强，系统的过渡过程变得平缓，超调量减小，调节时间也明显降低。但加入微分作用要适当，过大或过小的微分作用都会使系统的性能下降。（1）深入理解根轨迹法的基本原理；（2）掌握根轨迹的绘制方法、增益的选择、稳态误差的消除措施等；增益rlocfind深入理解频域响应法的基本原理；（1）掌

6、握Bode图的绘制方法、带宽频率的选择；控制系统中的信号可以表示为不同频率正弦信号的合成。控制系统的频率特性反映正弦信号作用下系统响应的性能。应用频率特性研究线性系统的经典方法称为频域分析法。令传递函数中的，得到系统频率特性频率特性主要有三种表示方法：Nyquist曲线、Bode图、Nichols图。（2）基于Bode图法调整控制系统的动态和稳态性能指标方法；（1）串级控制系统的设计，与单回路比较；一次干扰下：串级系统对一次扰动的抗扰能力与单回路系统相差不大，其原因是副回路对一次扰动不起作用，不能提高对一次扰动的响应频率。串级控制系统改善了对象的动态特性，减小了被

7、控对象的等效时间常数；大大增强了对二次扰动的克服能力；对一次扰动有较好的克服能力；对副回路参数变化具有一定的自适应能力。（1）前馈控制系统设计，与单回路比较；由图像对比可知，采用前馈补偿作用后，对单一可测不可控扰动的克服能力大大加强。上述系统实际为前馈、反馈复合控制系统，由前馈控制对可测扰动进行补偿，由反馈控制消除其他扰动带来的影响，大大提高了系统的动态和稳态性能。前馈控制也存在着很大的局限性：完全补偿难以实现、只能克服可测不可控的扰动等，因此前馈控制不宜单独使用，往往结合反馈系统、串级系统使用。由于参数选择上一些问题，前馈的曲线没有产生直线补偿。（1）其它控制系

8、统设计，与