自动化仪表及过程控制系统课程答辩作业.docx

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。
（a）图：
调节阀AOJIEFA
TC
FC
炉温
燃料油
给定

— —

FT
开方器
孔板

温度测量变送器

调节过程：选择炉膛温度作为主控参数构成主回路，燃料油压力作为副控参数构成副回路。 副回路根据燃料油压力的变化起着对炉口温度的粗调作用，主回路根据炉温的变化起着细调作用。

（b）图
开方器
孔板
FT
F（S）

燃料油
炉温
TC
给定

—
温度测量变送器

调节过程：通过对炉温的检测控制燃料油阀门的开度，构成反馈控制。通过对燃料油压力的检测控制其阀门开度，构成前馈环节， 在扰动出现之前进行控制。
特点分析：串级控制系统使被控过程的时间常数减小，改善了系统的动态性能。前馈-反馈控制能及时消除扰动对被控量的影响，但前馈控制只适合用来克服可测不可控的扰动。
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
如果用具有延迟的一阶惯性环节近似，确定其参数K,T和，并根据这些参数整定PI控制器的参数，用仿真结果验证之。
在MATLAB中可得其阶跃响应曲线如下：

取 T1=18, T2=26.
T0=2*(T2-T1)=16，"δ=T2-T1=10" ，K=y∞μ%=6.30.1=63
W0S=K1+T0Se-τs=6316S+1e-10s, δ=1.1*τT=0.6875
Ti=3.3*τ=33
在PID调节器中，PI调节表示为：Wc(s)=1δ(1+1sTI)=1.454+1S*0.4466
在simulink中，KP设置为1.454，TI=0.446，TD=0，去下图所示：

经过小范围修改PI参数后，可得其响应曲线为：

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、副对象的传递函数分别为：，，其中有一个10s的传输延迟，其传递函数为。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。

当延迟环节放在主回路时，在simulink中建立如图所示的控制回路

第一步，主回路开环，先整定副回路如下图所示
按单回路方法整定副控制器，不断的试验，当Kc2=8时，控制曲线如下：从下图中可知，此时的衰减比约为4：1。

第二步，主回路闭合，整定主回路。副控制的参数为Kc2=8，调节主控制器参数，当Kc1=2.4时，阶跃响应如下图所示：Ts1=45s。
此时
第三步，在主回路闭环的情况下重新整定副调节器参数，根据衰减曲线法取Kc1=8，Kc2=2.4，系统阶跃响应曲线如下图：

第四步，反复试验，当Kc1=2.5，TI=0.02，Kc2=8.2时，图形较为理想

同理可得当延迟环节在副回路时：
Kc1=0.43，
Kc2=3.5，TI=0.15，得到下图所示的曲线：

扰动分析：由于串级控制系统副回路的存在，能迅速克服进入副回路的二次扰动，能大大减小二次扰动的影响，提高控制质量。
4、（20分）如图是一种带的Smith预估补偿控制系统。试导出系统对干扰和实现完全补偿的条件。为抗干扰反馈控制器，为测量反馈控制器，为主控制器，为被控对象线性部分的传递函数。

4、令R（s）=0, D2（S）=0，根据梅逊公式可得：
Y(S)D1S=GpSe-τS1+GcsGpSGfSGdS+GcSGpSGfS(1-e-τS)1+GcsGpSGfS(1+GdS)
令Y(S)D1S=0，可得GdS=（e-τS-1）GcsGpSGfS-1GpSGfS
R（s）=0, D1（S）=0，同理根据梅逊公式可得:
YSD2S=1+GcsGpSGfSGdS+GcSGpSGfS1-e-τS1+GcsGpSGfS1+GdS
令YSD2S=0，可得GdS=（e-τS-1）GcsGpSGfS-1GpSGfS
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：
，
控制器传递函数为,采用对角阵解耦法来做。
1）确定解耦控制器的另外两个控制器传递函数
2）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
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
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。
5、(1) 根据对角阵解耦设计要求可得;
W11（s）W12（s）W21（s）W22（s）N11（s）N12（s）N21（s）N22（s）=W11（s）00W22（s）,则
W21sN11s+W22sN21s=0

W11sN12s+W12sN22s=0
解之得：N21s=-4S+1S+1, N12（s）=10S+15S+1
(2)、温度流量解耦控制系统的系统方框图如下

N22（s）
Gc2（s）
W22（s）
W12（s）
W21（s）
W11（s）
N12（s）
N21（s）
N11（s）
Gc1（s）
－ Uc1 + U1 + Y1

+ + +

+
+ + + Y2
_ Uc2 U2 +

(3）无解耦控制器的控制系统的系统方框图如下：

Gc2（s）
W22（s）
W12（s）
W21（s）
W11（s）
Gc1（s）
－ Uc1 + U1 + Y1

+ + +

+
+ + + Y2
_ Uc2 U2 +

(4）用Matlab的simulink画出上述两个系统如下：

解耦控制系统框图

无解耦控制系统框图
（5）、取Kp=40,有解耦控制时其阶跃响应如下图

无解耦控制时其阶跃响应如下图

（6）、现象及原因分析
有解耦解耦网络每相输出只受相应输入的影响，两输入之间没有联系。不带解耦网络每一输出都受到两个输入的影响。
原因分析：Y2（S）=[N11(S) W21(S)+ N21(S) W22(S)]UC1(S)，带入各参数可得，Y2（S）=0；
即即调节量Uc1(s)对被控量Y2(s)没有影响。 实现解耦过程。
同理可证， Uc2(s) 与Y1(s)之间也已解除耦合，即调节量Uc2(s)对被控量Y1(s)没有影响，
故该系统已实现解耦。