串级控制系统参数整定
实验三：串级控制系统参数整定
PID控制器由于自身具有的相对容易理解和实现的特点而被广泛应用于过程控制工业中。在实践中，它经常被融入一个复杂的控制结构中，以达到一个更好的控制效果。在这些复杂的控制结构中，通常利用串级控制组合来减小干扰引起的最大偏差和积分误差。容易实现的优点和潜在的大控制性能的提高导致串级控制广泛应用达数十年。它已经成为一个由工业过程控制器提供的标准应用。
串级控制系统由两个控制回路构成：一个可以快速动态消除输入干扰的内部回路，和一个可以调节输出效果的外部回路。通常，他们是通过一个连续的方式来整定的。首先，外部回路控制器设置为手动，对内部回路进行整定。随后，启用内部回路的整定结果，接着整定外部回路。如果控制效果不理想，应该调换整定的顺序。所以，整定串级控制系统是一项相当笨重耗时的任务，特别是具有大时间常数和时间延迟的系统。
PID自整定解除了手动整定控制器的烦恼，并且已经成功的应用于很多工业领域中。但是，到目前为止，却很少有关于串级系统自整定技术的发展的文学报道。其中，Li et al 利用模糊逻辑进行串级控制器的自整定。Hang et al. 应用一个重复的延迟自动整定方法来整定串级控制系统，延迟反馈测试被验证了两次，一次在内部回路，另一次在外部回路。虽然特殊的控制器整定已经被自动化，但整定过程的自然顺序并没有改变。Tan 提出了一个在一个实验中实行整体整定过程的方法，但是这个实验需要过程的过去的信息。而且，外部回路设计时所用的极限频率是基于未考虑内部回路控制参数改变的初始极限频率。这篇论文提供了串级控制系统自整定的一种新方法。通过利用串级控制系统的基本性能，在外部回路中利用一个简单的延迟反馈测试来确定内部和外部回路过程模型参数。一个基于Pade系数和Markov参数，匹配PID控制器整定方法的模型，被提出来控制整体系统效果。两个例子来说明该方法的有效性。
2.串级控制系统的基本原理
图1
串级控制组合的结构如图1，内部回路嵌套于外部回路里，外部回路的输出变量是被控对象。控制系统由两个过程和两个控制器组成。分别为外部回路传递函数1p G ，内部回路传递函数2p G ，外部回路控制器1c G 和内部回路控制器2c G 。
串级控制系统的两个控制器都是标准的反馈控制器。通常情况下，内部回路为一个比例控制器，当内部回路过程包含基本时间延迟时需要用到积分作用，外部过程使内部回路增益是有限的。
为了在它影响到外部回路之前减小或消除内部回路干扰d 2，内部回路比外部回路应该有一个更快的动态响应（工业经验法则里，至少应快5倍以上）。因此，内部闭环回路的相位滞后应该比外部回路小。这个特点就是应用串级控制的基本原理。内部回路的交叉频率比外部回路高，使内部回路控制器有更高的增益，能够在没有危及系统的稳定性的情况下更有效的调节内部回路干扰事故的影响。
3.继电反馈测试串级控制系统
图2
Astrom-Hagglund 继电反馈测试是基于观察法：当过程输出落后输入π-弧度时，闭环回路系统可能在极限频率附近产生等幅振荡（相位滞后π-的频率）。文中提到的自整定串级控制系统的继电反馈测试如图2. 当继电反馈开始，开关A 打向2，B 打向4，C 打向5. 测试后，A 打向1，B 打向3，C 打向6. 当内部回路过程比外部回路过程响应更快时，u 就像一个阶跃响应，固定振荡周期的一半，如图3. 因此一个简单的继电反馈测试就可以同时获得内部回路和外部回路过程模型参数。
实际上，真正的过程模型通常是由低阶加上打印为代表的模型。这里，采用了传递函数：s L i i pi i e s T k s G -+=1
)( （1）1=i 时，代表外部过程模型，2=i 代表内部过程模型。这个模型有三个特征参数：静态增益k ，时间常数T ，停滞时间L 。它在很多工业应用中很好的描述了一个线性单调过程，通常能满足ＰＩＤ控制器的整定。
自动控制系统的组成
1.1 自动控制系统的组成 自动控制系统是在人工控制的基础上产生和发展起来的。为对自动控制有一个更加清晰的了解，下面对人工操作与自动控制作一个对比与分析。 图1-1所示是一个液体贮槽，在生产中常 用来作为一般的中间容器或成品罐。从前一个 工序出来的物料连续不断地流入槽中，而槽中 的液体又送至下一工序进行加工或包装。当流 入量Q i(或流出量Q0) 波动，严重时会溢出或抽空。解决这个问题的 最简单办法，是以贮槽液位为操作指标，以改 变出口阀门开度为控制手段，如图1-1所示。 当液位上升时，将出口阀门开度开大，液位上 则关小出口阀门，液位下降越多，阀门关得越 小。为了使液位上升和下降都有足够的余地，选择玻璃管液位计指示值中间的某一点为正常工作时的液位高度，通过改变出口阀门开度而使液位保持在这一高度上，这样就不会出贮槽中液位过高而溢出槽外，或使贮槽内液位抽空而发生事故的现象。归纳起来，操作人员所进行的工作有以下三个方面。 ①检测用眼睛观察玻璃管液位计（测量元件）中液位的高低。 ②运算、命令大脑根据眼睛所看到的液位高度，与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。 ③执行根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量Q0，从而使液位保持在所需要高度上。 眼、脑、手三个器官，分别担负了检测、运算/决策和执行三个任务，来完成测量偏差、操纵阀门以纠正偏差的全过程。 若采用一套自动控制装置来取代上述人工操作，就称为液位自动控制。自动 下面结合图1-2的例子介绍几个常 用术语。 ①被控对象需要实现控制的 简称对象，如图1-2中的液体贮槽。 ②被控变量对象内要求保
自动控制原理答案第3章
https://www.wendangku.net/doc/7619098743.html, School of Electronic Engineering, Dongguan University of Technology 【习题3-1】： 已知某控制系统结构图，其中T m =0.2，K =5，求系统的单位阶跃响应性能。1 ）对比二阶系统开环传递函数的一般表达式： 2）解得：3）进而解得：4）超调量：5）调节时间：6）峰值时间：7）上升时间： https://www.wendangku.net/doc/7619098743.html, School of Electronic Engineering, Dongguan University of Technology 【习题3-2】： 已知某控制系统结构图，系统的单位阶跃响应曲线，试确定系统参数K 1、的值。）闭环传递函数：2）从曲线中可以直接获得：3））计算系统的参数： ）比较二阶系统闭环传递函数的一般式： 阶跃响应的输出通常用h(t)表示，代替c(t) ()()() lim lim t s c c t sC s →∞ →∞==
https://www.wendangku.net/doc/7619098743.html, School of Electronic Engineering, Dongguan University of Technology 【习题3-3】： 已知某控制系统结构图，要求系统的阻尼比ζ=0.6，试确定K t 的值，并计算动态性能指标：t p 、t s 和σp 的值。1）闭环传递函数： 2）比较二阶系统闭环传递函数的一般式：3）解得： 4 ）计算系统的动态性能： https://www.wendangku.net/doc/7619098743.html, School of Electronic Engineering, Dongguan University of Technology 【习题3-4】： 已知某控制系统结构图，要求系统的超调量σp =16.3%，峰值时间t p =1 秒，求K 与τ。 1）根据超调量和峰值时间的定义，有： 2）计算系统的特征参数：3）闭环传递函数： 4）比较二阶系统的闭环传递函数的一般形式：5）解得：
参数整定方法
1. 临界比例度法 先在纯比例作用下（把积分时间放到最大，微分时间放到零），在闭合的调节系统中，从大到小地逐渐地改变调节器的比例度，就会得到一个临界振荡过程。这时的比例度叫临界比例度δk，周期为临界振荡周期Tk。记下δk和Tk，然后按经验公式来确定调节器的各参数值。 2. 衰减曲线法 临界比例度法是要系统等幅振荡，还要多次试凑，而用衰减曲线法较简单，一般又有两种方法。 1）4：1衰减曲线法 使系统处于纯比例作用下，在达到稳定时，用改变给定值的办法加入阶跃干扰，观察记录曲线的衰减比，然后逐渐从大到小改变比例度，使出现4：1的衰减比为止。记下此时的比例度δs和振荡周期T s。再按经验公式来确定PID数值。 2）10：1衰减曲线法 有的过程，4：1衰减仍嫌振荡过强，可采用10：1衰减曲线法。方法同上，得到10：1衰减曲线，记下此时的比例度δ＇s和上升时间T＇s，再按经验公式来确定PID的数值。 （四）PID参数确定的方法 在选择了调节规律及相应的调节器后，就要进行PID初始参数的确定。常采用的方法有临界比例度法（又称稳定边界法）、反应曲线法、衰减曲线法、仪表参数自整定法。 1、临界比例度法： 调节规律采用纯比例，不断增加K，使调节系统的被调参数作等幅振荡（即达到稳定边界）时，测量出比例放大系数Km或临界比例度Pm以及振荡周期Tm，然后，按经验数据求出初始参数。 临界比例度法的调节器经验数据表 调节规律P（%）T I T D P2P m PI 2.2 P m0.85T m PID 1.7 P m0.5T m0.13 T m 2、反应曲线法： 反应曲线法：要确定调节器的参数应先测定对象的动态特性，即对象输入量作单位阶跃变化时被调量的反应曲线，即飞升曲线。根据飞升曲线可得到等效滞后时间τ、等效时间常数T、
串级控制系统
习题六 1．什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。 答：串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。 主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。 2．串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合? 答串级控制系统的主要特点为： (1)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统； (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量} (3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响； (4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。 3．串级控制系统中主、剧变量应如何选择? 答主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。 副变量的选择原则是：． (1)主、副变量间应有一定的内在联系，副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化； (2)通过对副变量的选择，使所构成的副回路能包含系统的主要干扰； (3)在可能的情况下，应使副回路包含更多的主要干扰，但副变量又不能离主变量太近； (4)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生 4．为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统? 答串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值，而
主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统。5．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律? 答串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。 串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。 6．如何选择串级控制系统中主、副控制器的正、反作用? 答副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同，是按照使副回路成为—个负反馈系统的原则来确定的。 主控制器作用方向的选择可按下述方法进行：当主、副变量在增加(或减小时)，如果要求控制阀的动作方向是一致的，则主控制器应选“反”作用的；反之，则应选“正”作用的。 从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关。这种情况可以这样来理解：如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时，副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(即副回路的给定)，而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见，在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时，主变量亦增加)时，主控制器应选“反”作用方向，反之，当主对象具有“反”作用特性时，主控制器应选“正”作用方向。
《控制理论》试题库(2012级)
第二章：梅森公式 1、试绘制下面系统结构图对应的信号流图，并用梅逊增益公式求传递函数C (s )／R (s )和E (s )／R (s )。 2、某系统结构图如图所示 (1) 画出图(a )的对应的信号流图，计算闭环传递函数()s Φ； (2) 确定图(b )传函()G s ，使得(a )与(b )中从()R s 到()Y s 的闭环传递函数一致； (3) 令1p =，试确定系统的类型，并计算与之对应的稳态误差系数。 () a () b 3、用梅逊公式求图示系统的传递函数C (s )／R (s )。 4．试绘制如图所示系统结构图对应的信号流图，并求传递函数C (s )／R (s )。 C(s) (s ) R (s 图 系统方框图 )
第三章：二阶性能，劳斯判据，稳态误差。 1、下图为简化的飞行控制系统结构图，试选择参数K1和Kt ，使系统的1,6==ξωn 。 2、 设控制系统如图所示。如果要求闭环系统稳定，a 值的取值范围是多少? 如果要求闭环系 统的极点全部位于s ＝－1垂线之左，a 值的取值范围又是多少? 3、已知系统结构如图所示，试用劳思判据确定参数b 的取值范围，以保证系统稳定。 4、 典型二阶系统单位阶跃响应曲线如下图所示，试确定系统的闭环传递函数。 （注： 2 1ξ ωβπ--=n r t ，2 1ξ ωπ-= n p t ，%100%2 1?=--ξπξ σe ，n s t ξω5 .3= ） 2.5 2 2 图1 控制系统 s )
5、单位反馈系统的开环传递函数为：) 10020()(2 ++= s s s K s G a ξ （1）确定使系统稳定的参数（开环增益K ，阻尼比ξ）的范围。 （2）取ξ=2，并保证系统极点全部位于1-=s 的左边，确定此时的开环增益K . 6、两系统结构图分别如图(a)、(b)所示，若要求在4秒内系统的稳态误差不超过6，应选用哪 种系统(已知 24 1 2)(t t t r += ) 7、已知单位反馈系统的开环传递函数为 ) 5)(11.0(50 )(++= s s s s G 试求输入分别为r (t )＝2t 和r (t )＝2＋2t ＋t 2时，系统的稳态误差。 8、 已知单位反馈系统的开环传递函数为 )15.0)(1() 15.0()(2++++= s s s s s K s G 试确定系统稳定时的K 值范围，并求系统的静态误差系数K p 、K v 、K a 。 9、 已知某控制系统结构如图所示。 1） 试求出其闭环传递函数。 2） 要使系统满足：2,707.0==n ωξ，试确定相应的参数K 和β。 3） 求此时系统的最大超调量和调节时间。 4） 若r (t )=2t ，求系统由r (t )产生的稳态误差e ss (∞)。 （注： 2 1ξ ωβπ--= n r t ，2 1ξ ωπ-= n p t ，%100%2 1?=--ξπξ σe ，n s t ξω5 .3= ）
PID控制器参数整定的方法,口诀
PID控制器参数整定的方法,口诀 P proportion 比例 I integration 积分 D differentiation 微分 PID用于控制精度比例是必须的,它直接影响精度,影响控制的结果 积分它相当于力学的惯性能使震荡趋于平缓 微分控制提前量它相当于力学的加速度影响控制的反应速度.太大会导致大的超调量使系统极不稳定.太小会使反应缓慢. 一般而言 PID调节是一个整体的说法在实际中 PID的比例积分微分并非总是同时使用 PI调节和PD调节使用较多. . PID调试步骤 没有一种控制算法比PID调节规律更有效、更方便的了。现在一些时髦点的调节器基本源自PID。甚至可以这样说：PID调节器是其它控制调节算法的妈。 为什么PID应用如此广泛、又长久不衰？ 因为PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。 由于自动控制系统被控对象的千差万别，PID的参数也必须随之变化，以满足系统的性能要求。这就给使用者带来相当的麻烦，特别是对初学者。下面简单介绍一下调试PID参数的一般步骤： 1．负反馈 自动控制理论也被称为负反馈控制理论。首先检查系统接线，确定系统的反馈为负反馈。例如电机调速系统，输入信号为正，要求电机正转时，反馈信号也为正（PID算法时，误差=输入-反馈），同时电机转速越高，反馈信号越大。其余系统同此方法。 2．PID调试一般原则 a.在输出不振荡时，增大比例增益P。 b.在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。 c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。 3．一般步骤 a.确定比例增益P 确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此
控制系统仿真实训试题
一、某控制系统结构图如图所示， （1） 试用SIMULINK 建立系统仿真模型，且该系统中K=1保存路径为：E ：\lsfz ； （2） 利用所建立的SIMULINK 仿真模型求该系统闭环传递函数及开环传递函数； （3） 求该系统当K=1和K=2时的单位阶跃响应的峰值时间p t 、超调量o o σ 、调节时间s t 和稳态 值)(∞h ，分析系统性能，指出增益K 对系统的影响； （4） 画出该系统的根轨迹，判断使系统稳定的K 的变化范围，求系统临界稳定时根轨迹增益。 （5） 画出系统的BODE 图，求出系统的频域性能指标幅值裕量和相角裕量。 二、已知某控制系统结构如下图， （1）试用MATLAB 命令（编写m 文件），求出系统的开环和闭环传函； （2）画出该系统的根轨迹，判断使系统稳定的K 的变化范围，求系统临界稳定时的增益及根值。 （3） 在K 值的稳定范围内绘制三组不同K 值的系统单位阶跃响应(同一坐标中），比较其峰值时间p t 、超调量o o σ 、调节时间s t 和稳态值)(∞h ，指出增益K 对系统的影响； （4）画出系统的BODE 图，求出系统的频域性能指标幅值裕量和相角裕量。 三、已知某控制系统结构如下图， （1）当K=1和K=2时，试用时域法分析系统的稳定性。 （2）用根轨迹法确定使系统稳定的K 的范围 （3) 当K=1.5时，画出系统的BODE 图，求出系统的频域性能指标幅值裕量和相角裕量。 (4) 当K=1.5时，试用用奈氏稳定判据判断系统的稳定性。
四、单位负反馈系统的开环传递函数为： 3 )1 ( 1 5.1 ) ( + + - = s s s G ， （1）求出闭环系统的单位阶跃响应曲线； （2）使用Z-N第一法确定PID控制器的参数Kp、Ti、T d,求出PID控制后的系统单位阶跃响应曲线,与PID校正前进行对比。 五、单位负反馈系统的开环传递函数为： )5 )(1 ( 1 ) ( + + = s s s s G ， （1）求出闭环系统的单位阶跃响应曲线； （2）使用Z-N第二法确定PID控制器的参数Kp、Ti、T d,并求出PID控制后的系统单位阶跃响应曲线，与PID校正前进行对比。
串级控制系统的构成投运和参数整定及控制质量研究
实验一串级控制系统的构成、投运和参数整定及控制质量 研究 一、实验目的 1、加深理解串级控制系统的工作原理及特点。 2、掌握串级控制系统的设计和组成。 3、学习相关的组态软件 4、初步掌握串级控制系统的控制器参数调整方法。 二、实验设备 1、A3000－FS现场总线型过程控制现场系统4套 2、A3000－CS上位控制系统4套 三、实验要求 1、根据工艺要求和工况条件，设计出合理可行的串级控制系统。 （1）要求及条件 工艺要求：下水箱液位控制在某一高度上。 对下水箱液位产生影响的扰动量：若干变量。 （2）控制方案 主被控变量c1(t)、副被控变量c2(t)及操纵变量q(t)等的选择；主控制器和副控制器控制算法的选择及正、反作用的确定等。 2、掌握串级控制系统的控制器参数整定方法和系统投运步骤。 3、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。 四、实验内容 1、液位流量串级控制系统方案及工作原理 实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副被控变量，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。 以下水箱为主被控对象。流量的改变需要经过一定时间才能反应到下水箱液位的变化，时间常数比较大（时延较大）。如图2－1所示，
图2－1 液位－流量串级控制系统 设计好下水箱和流量串级控制系统。将主控制器的输出送到副控制器的外给定输入端，而副控制器的输出去控制执行器。经反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。待流量稳定后，通过变频器快速改变流量，加入扰动（即，使干扰落入串级控制系统的副回路）。若控制器的各参数设置比较理想，且扰动量较小，经过副回路的及时控制校正，基本不会影响下水箱的液位。如果扰动量较大或控制器的各参数设置不理想，虽然经过副回路的校正，还将会影响主回路的液位，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动的影响，使液位调回到给定值上。当用第一动力支路把扰动加在下水箱时（即，干扰落入串级控制系统的主回路），扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小。该串级控制系统框图如图2-2所示。 图2－2 液位－流量串级控制系统原理方框图 2、液位流量串级控制系统组态 表2－1 液位流量串级控制系统连接示意 测量或控制量测量或控制量标号使用控制器端口 电磁流量计FT102 AI0 下水箱液位LT103 AI1 调节阀FV101 AO0 3、液位流量串级控制系统实验内容与步骤
自动控制练习题
题1-1 根据题图所示的电动机速度控制系统工作原理图 (1) 将a ，b 与c ，d 用线连接成负反馈状态； (2) 画出系统方框图。 解 （1）负反馈连接方式为：d a ?，c b ?； （2）系统方框图如图解所示。 题1-2图是仓库大门自动控制系统原理示意图。试说明系统自动控制大门开闭的工作原理，并画出系统方框图。
解当合上开门开关时，电桥会测量出开门位置与大门实际位置间对应的偏差电压，偏差电压经放大器放大后，驱动伺服电动机带动绞盘转动，将大门向上提起。与此同时，和大门连在一起的电刷也向上移动，直到桥式测量电路达到平衡，电动机停止转动，大门达到开启位置。反之，当合上关门开关时，电动机带动绞盘使大门关闭，从而可以实现大门远距离开闭自动控制。系统方框图如图解1-2所示。 题1-3图为谷物湿度控制系统示意图。在谷物磨粉的生产过程中，有一个出粉最多的湿度，因此磨粉之前要给谷物加水以得到给定的湿度。图中，谷物用传送装置按一定流量通过加水点，加水量由自动阀门控制。加水过程中，谷物流量、加水前谷物湿度以及水压都是对谷物湿度控制的扰动作用。为了提高控制精度，系统中采用了谷物湿度的顺馈控制，试画出系统方块图。 解系统中，传送装置是被控对象；输出谷物湿度是被控量；希望的
谷物湿度是给定量。 系统方框图如图解所示。这是一个按干扰补偿的复合控制系统。 2-1 已知系统传递函数 2 32 )()(2++=s s s R s C ，且初始条件为1)0(-=c ，0)0(=c ，试求系统在输入)(1)(t t r =作用下的输出)(t c 。 解 系统的微分方程为 )(2)(2) (3)(2 2t r t c dt t dc dt t c d =++ （1） 考虑初始条件，对式（1）进行拉氏变换，得 s s C s sC s s C s 2)(23)(3)(2=++++ （2） 22 141) 23(23)(22++ +-=++-+-=s s s s s s s s s C ∴ t t e e t c 2241)(--+-= 2-2 已知在零初始条件下，系统的单位阶跃响应为 t t e e t c --+-=221)(，试求系统的传递函数。
自动控制原理选择题
自动控制原理选择题（48学时） 1．开环控制方式是按 进行控制的，反馈控制方式是按 进行控制的。 （A ）偏差；给定量 （B ）给定量；偏差 （C ）给定量；扰动 （D ）扰动；给定量 （ ） 2．自动控制系统的 是系统正常工作的先决条件。 （A ）稳定性 （B ）动态特性 （C ）稳态特性 （D ）精确度 （ ） 3．系统的微分方程为 222 )()(5)(dt t r d t t r t c ++=,则系统属于 。 （A ）离散系统 （B ）线性定常系统 （C ）线性时变系统 （D ）非线性系统 （ ） 4．系统的微分方程为)()(8)(6)(3)(2233t r t c dt t dc dt t c d dt t c d =+++,则系统属于 。 （A ）离散系统 （B ）线性定常系统 （C ）线性时变系统 （D ）非线性系统 （ ） 5．系统的微分方程为()()()()3dc t dr t t c t r t dt dt +=+,则系统属于 。 （A ）离散系统 （B ）线性定常系统 （C ）线性时变系统 （D ）非线性系统 （ ） 6．系统的微分方程为()()cos 5c t r t t ω=+,则系统属于 。 （A ）离散系统 （B ）线性定常系统 （C ）线性时变系统 （D ）非线性系统 （ ） 7．系统的微分方程为 ττd r dt t dr t r t c t ?∞-++=)(5)(6 )(3)(,则系统属于 。 （A ）离散系统 （B ）线性定常系统 （C ）线性时变系统 （D ）非线性系统 （ ） 8．系统的微分方程为 )()(2t r t c =,则系统属于 。 （A ）离散系统 （B ）线性定常系统 （C ）线性时变系统 （D ）非线性系统 （ ） 9. 设某系统的传递函数为：,1 2186)()()(2+++==s s s s R s C s G 则单位阶跃响应的模态有： （A ）t t e e 2,-- （B ）t t te e --,
控制回路PID参数整定方法精
Honeywell DCS 控制回路PID参数整定方法 鉴于目前一联合装置仪表回路自控率比较低，大部分的回路都是手动操作，这样不但增加了操作员的工作量，而且对产品质量也有一定的影响，特编制了此PID参数整定方法。 一、修改PID参数必须有“SUPPERVISOR”及以上权限权限，用键盘钥匙可以切换权限，钥匙已送交一联合主任陈胜手中； 二、打开要修改的控制回路细目画面，翻到下图所示的页面，修改PID控制回路整定的三个参数K，T1，T2； 三、PID参数代表的含义 K：比例增益（放大倍数），范围为0.0～240.0； T1：积分时间，范围为0.0～1440.0，单位为分钟，0.0代表没有积分作用； T2：微分时间，范围为0.0～1440.0，单位为分钟，0.0代表没有微分作用。 四、PID参数的作用 （1）比例调节的特点：1、调节作用快，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大K倍输出； 2、系统存在余差。 K越小，过渡过程越平稳，但余差越大；K增大，余差将减小，但是不能完
全消除余差，只能起到粗调作用，但是K过大，过渡过程易振荡，K太大时，就可能出现发散振荡。 （2）积分调节的特点：积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比，积分作用能消除余差，但降低了系统的稳定性，T1由大变小时，积分作用由弱到强，消除余差的能力由弱到强，只有消除偏差，输出才停止变化。 （3）微分调节的特点：微分调节的输出是与被调量的变化率成正比，在引入微分作用后能全面提高控制质量，但是微分作用太强，会引起控制阀时而全开时而全关，因此不能把T2取的太大，当T2由小到大变化时，微分作用由弱到强，对容量滞后有明显的作用，但是对纯滞后没有效果。 五、如果要知道控制回路的作用方式，可以进入控制回路的细目画面，进入下图所示页面： 其中“CTLACTN”代表控制器作用方式，“REVERSE”表示反作用，“DIRECT”代表正作用。 六、控制器的选择方法 （1）P控制器的选择：它适用于控制通道滞后较小，负荷变化不大，允许被控量在一定范围内变化的系统； （2）PI控制器的选择：它适用于滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统；
串级控制系统参数整定
实验三：串级控制系统参数整定 PID 控制器由于自身具有的相对容易理解和实现的特点而被广泛应用于过程控制工业中。 在实践中，它经常被融入一个复杂的控制结构中，以达到一个更好的控制效果。在这些复杂的控制结构中，通常利 用串级控制组合来减小干扰引起的最大偏差和积分误差。容易实现的优点和潜在的大控制性能的提高导致串级控制广泛应用达数十年。它已经成为一个由工业过程控制器提供的标准应用。 串级控制系统由两个控制回路构成：一个可以快速动态消除输入干扰的内部回路，和一个可以调节输出效果的外部 回路。通常，他们是通过一个连续的方式来整定的。首先，外部回路控制器设置为手动，对内部回路进行整定。随后， 启用内部回路的整定结果，接着整定外部回路。如果控制效果不理想，应该调换整定的顺序。所以，整定串级控制系统 是一项相当笨重耗时的任务，特别是具有大时间常数和时间延迟的系统。 PID 自整定解除了手动整定控制器的烦恼，并且已经成功的应用于很多工业领域中。但是，到目前为止，却很少有关于串 级系统自整定技术的发展的文学报道。其中，Li et al 利用模糊逻辑进行串级控制器的自整定。Hang et al. 应用一个重复的延迟自动整定方法来整定串级控制系统，延迟反馈测试被验证了两次，一次在内部回路，另一次在外部回路。虽然特 殊的控制器整定已经被自动化，但整定过程的自然顺序并没有改变。Tan 提出了一个在一个实验中实行整体整定过程的方法，但是这个实验需要过程的过去的信息。而且，外部回路设计时所用的极限频率是基于未考虑内部回路控制参数改 变的初始极限频率。这篇论文提供了串级控制系统自整定的一种新方法。通过利用串级控制系统的基本性能，在外部回 路中利用一个简单的延迟反馈测试来确定内部和外部回路过程模型参数。 一个基于Pade 系数和Markov 参数，匹配PID 控制器整定方法的模型，被提出来控制整体系统效果。两个例子来说明该方法的有效性。 2.串级控制系统的基本原理 图1 串级控制组合的结构如图1，内部回路嵌套于外部回路里，外部回路的输出变量是被控对象。控制系统由两个过程 和两个控制器组成。分别为外部回路传递函数1p G ，内部回路传递函数2p G ，外部回路控制器1c G 和内部回路控制器2c G 。 串级控制系统的两个控制器都是标准的反馈控制器。通常情况下，内部回路为一个比例控制器，当内部回路过程包 含基本时间延迟时需要用到积分作用，外部过程使内部回路增益是有限的。 为了在它影响到外部回路之前减小或消除内部回路干扰 d 2，内部回路比外部回路应该有一个更快的动态响应（工业经验法则里，至少应快5倍以上）。因此，内部闭环回路的相位滞后应该比外部回路小。这个特点就是应用串级控制的基本原理。内部回路的交叉频率比外部回路高，使内部回路控制器有更高的增益，能够在没有危及系统的稳定性的情况下
Ziegler-Nichols参数整定控制器步骤与方法
Ziegler-Nichols参数整定控制器步骤与方法： 对于控制系统的一个开环传递函数： 试采用Z-N整定公式计算系统的P、PI、PID控制器的参数，绘制整定后的系统单位阶跃响应。 建立如下图所示的Simulink模型。 开环 最小二乘法的曲线拟合：（只对前30秒求出直线方程） 选定相应的时间序列找到相应的值记录需要拟合的点 时间序列：xout'0 Columns 1 through 9 0 0.6000 1.2000 1.8000 2.4000 3.0000 3.6000 4.2000 4.8000 Columns 10 through 18 5.4000 6.0000 6.6000 7.2000 7.8000 8.4000 9.0000 9.6000 10.2000 Columns 19 through 26 10.8000 11.4000 12.0000 12.6000 13.2000 13.8000 14.4000 15.0000 输出序列：yout' Columns 1 through 9 0 0 0 0 0 0.4200 1.4416 2.6924 3.9721 Columns 10 through 18 5.1850 6.2904 7.2759 8.1434 8.9010 9.5594 10.1300 10.6236 11.0501 Columns 19 through 26 11.4182 11.7359 12.0100 12.2465 12.4504 12.6262 12.7778 12.9086 线性拟合： cftool工具箱得出一个合适的直线，画出S曲线得到： 最后编写m文件，得到L=2.2，T=9.8-2.2=7，K=13.727 % %分别用单纯的比例控制、比例积分、比例积分微分控制 L=2.2;T=7;K=13.727 KP=T/(K*L)%纯比例控制 %simulink_P仿真开始 yP=y.data; save yP %PI控制 KPi=0.9*KP%积分的比例系数 TI=L/0.3;Ki=1/TI
自动控制原理复习题A
自动控制原理复习题A 一 、已知控制系统结构图如下图所示。试通过结构图等效变换求系统传递函数C (s )/R (s )。 二 、已知系统特征方程为 025103234=++++s s s s 试用劳思稳定判据确定系统的稳定性。 三 、已知单位反馈系统的开环传递函数 ) 5)(11.0(100)(++=s s s G 试求输入分别为r (t )=2t 和 r (t )=2+2t+t 2 时系统的稳态误差。 四 、设单位反馈控制系统开环传递函数如下， )15.0)(12.0()(++=s s s K s G 试概略绘出相应的闭环根轨迹图(要求确定分离点坐标d )： 五、 1 、绘制下列函数的对数幅频渐近特性曲线： ) 110)(1(200)(2++= s s s s G 2 、已知最小相位系统的对数幅频渐近特性曲线如图所示，试确定系统的开环传递函数。
六 、已知线性离散系统的输出z z z z z z C 5.05.112)(2323+-++=，计算系统前4个采样时刻c (0)，c (T )，c (2T )和c (3T )的响应。 七 、已知非线性控制系统的结构图如下图所示。为使系统不产生自振，试利用描述函数法确定继电特性参数a ，b 的数值。继电特性的描述函数为a X X a X b X N ≥??? ??-= ,14)(2 π。 《自动控制原理》复习题A 答案 一 223311321)1)(1()()(H G H G H G G G G s R s C +++= 二 系统不稳定。 三 ∞ , ∞ 四 五 1
] 40[-]60[-] 80[-861.0261 1.2ω dB 0dB L )(ω 2 ) 1100/)(1/()1/001.0(100)(11+++=s s s s G ωω 六 c (0)=1 c (T )=3.5 c (2T )=5.75 c (3T )=6.875 七 b a π 38> 自动控制原理复习题B 一 、已知控制系统结构图如下图所示。试通过结构图等效变换求系统传递函数C (s )/R (s )。 二 、已知单位反馈系统的开环传递函数)12.0)(1()15.0() (2++++=s s s s s K s G 试确定系统稳定时的K 值范围。 三 、已知单位反馈系统的开环传递函数 ) 5)(11.0(50)(++=s s s s G 试求输入分别为 r (t )=2t 和 r (t )=2+2t+t 2 时，系统的稳态误差。
PID控制器参数整定的一般方法
PID控制器参数整定的一般方法： PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改； 二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整P、I、D的大小。书上的常用口诀： 参数整定找最佳，从小到大顺序查； 先是比例后积分，最后再把微分加； 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大； 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳； 曲线偏离回复慢，积分时间往下降； 曲线波动周期长，积分时间再加长； 曲线振荡频率快，先把微分降下来； 动差大来波动慢。微分时间应加长； 理想曲线两个波，前高后低4比1； 一看二调多分析，调节质量不会低。 个人认为PID参数的设置的大小，一方面是要根据控制对象的具体情况而定；另一方面是经验。P是解决幅值震荡，P大了会出现幅值震荡的幅度大，但震荡频率小，系统达到稳定时间长；I是解决动作响应的速度快慢的，I大了响应速度慢，反之则快；D是消除静态误差的，一般D设置都比较小，而且对系统影响比较小。 PID控制原理： 1、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。 2、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。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。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。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3、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。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控
串级调节系统
实验三串级调节系统 一、实验目的 1、熟悉串级调节系统的组成，结构。 2、通过选定的控制对象，来组成相应的串级调节系统。 3、学习串级调节系统的投运方法和主副调节器的参数整定。 二、实验原理 串级调节系统是复杂调节的一种形式，是在简单调节系统的基础上发展起来的。在对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的工作环境下，采用简单调节系统往往调节质量较差，满足不了工艺要求，从而采用串级控制系统。由于串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，因而它在过程控制中得到了广泛应用。 1、串级控制系统的结构 如图3-1所示，串级控制系统是指不止采用一个调节器，而是将两个或几个 调节器相串联，并将一个调节器的输出作为下一个调节器设定值的控制系统。2、串级控制系统的名词术语： （1）、主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。 （2）、副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅 助变量。 （3）、主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程， 是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。 （4）、副被控过程：是指副被控参数为输出的过程，是整个过程的一部分， 其输出控制主控参数。 （5）、主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其 输出作为副调节器的给定值。
（6）、副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制执行机构。 （7）、副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。 （8）、主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。 （9）、一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。 （10）、二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。 3、串级调节系统相对与单回路简单调节系统的优点： 串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。它与单回路反馈控制系统比较，由于在系统的结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点： （1）、改善了过程的动态特性 串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路，减小了该回路中环节的时间常数，增加了它的带宽，从而使系统的响应加快，控制更为及时。 （2）、具有较强的抗扰动能力 在串级控制系统中，主、副调节器放大系数的乘积愈大，则系统的抗扰动能力愈强，控制质量愈好。串级控制系统由于存在副回路，只要扰动进入副回路，不等它影响到主参数的变化，通过副回路的及时调节，该扰动对主参数的影响就会大大地削弱或完全消除，从而提高了主参数的控制质量。 （3）、具有一定的自适应能力 串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则是一个随动系统。主调节器的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，从而不断改变副调节器的给定值，使副回路调节器的给定值适应负荷并随操作条件而变化，即具有一定的自适应能力。 4、主、副回路的设计 串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的调整，其设计原则为：（1）、主参数的选择和主回路的设计 串级控制系统是由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统，副回路是随动调节系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。 （2）、副参数的选择和副回路的设计 1）、副参数的选择 副参数的选择应使副回路的时间常数小，时延小，控制通道短，这样可使等
自动控制原理试题及答案
自动控制原理 一、简答题：（合计20分,共4个小题，每题5分） 1. 如果一个控制系统的阻尼比比较小，请从时域指标和频域指标两方面 说明该系统会有什么样的表现？并解释原因。 2. 大多数情况下，为保证系统的稳定性，通常要求开环对数幅频特性曲 线在穿越频率处的斜率为多少？为什么？ 3. 简要画出二阶系统特征根的位置与响应曲线之间的关系。 4. 用根轨迹分别说明，对于典型的二阶系统增加一个开环零点和增加一 个开环极点对系统根轨迹走向的影响。 二、已知质量-弹簧-阻尼器系统如图(a)所示，其中质量为m 公斤，弹簧系数为k 牛顿/米，阻尼器系数为μ牛顿秒/米，当物体受F = 10牛顿的恒力作用时，其位移y (t )的的变化如图(b)所示。求m 、k 和μ的值。(合计20分) F ) t 图(a) 图(b) 三、已知一控制系统的结构图如下，（合计20分,共2个小题，每题10分） 1） 确定该系统在输入信号()1()r t t =下的时域性能指标：超调量%σ，调 节时间s t 和峰值时间p t ； 2） 当()21(),()4sin 3r t t n t t =?=时，求系统的稳态误差。
四、已知最小相位系统的开环对数幅频特性渐近线如图所示，c ω位于两个交接频率的几何中心。 1） 计算系统对阶跃信号、斜坡信号和加速度信号的稳态精度。 2） 计算超调量%σ和调节时间s t 。（合计20分,共2个小题，每题10分） [ 1 %0.160.4( 1)sin σγ =+-, s t = 五、某火炮指挥系统结构如下图所示，()(0.21)(0.51) K G s s s s = ++系统最 大输出速度为2 r/min ，输出位置的容许误差小于2 ，求： 1） 确定满足上述指标的最小K 值，计算该K 值下的相位裕量和幅值裕 量； 2） 前向通路中串联超前校正网络0.41 ()0.081 c s G s s +=+，试计算相位裕量。 （合计20分,共2个小题，每题10分） (rad/s)
控制器的参数整定
简单控制系统的参数整定:（摘自化学工业出版社《过程控制技术》）表7-1 控制规律选择参考表： 表7-2 控制器参数的大致范围： 当控制系统已经构成“负反馈”，并且控制器的控制规律也已经正确选定，那么控制系统的品质主要决定于控制器参数的整定值。即如何确定最合适的比例度δ、积分时间Ti和微分时间Td。控制器参数的整定方法很多，现介绍几种工程上常用的方法。 1．经验试凑法 这是一种在实践中很常用的方法。具体做法是：在闭环控制系统中，根据被控对象情况，先将控制器参数设在一个常见的范围内，如表7-2所示。然后施加一定的干扰， 以δ、Ti、Td对过程的影响为指导，对δ、Ti、Td逐个整定，直到满意为止，凑试的 顺序有两种。 （1）先凑试比例度，直到取得两个完整的波形的过渡过程为止。然后，把δ稍放大10％到20％，再把积分时间Ti由大到小不断凑试，直到取得满意波形为止。最后再加微分， 进一步提高质量。 在整定中，若观察到曲线振荡频繁，应当加大比例度（目的是减小比例作用）以减小振荡；曲线最大偏差大且趋于非周期时，说明比例控制作用小了，应当加强，即应减 小比例度；当曲线偏离设定值，长时间不回复，应减小积分时间；如果曲线总是波动， 说明振荡严重，应当加长积分时间以减弱积分作用；如果曲线振荡的频率快，很可能是 微分作用强了，应当减小微分时间；如果曲线波动大而且衰减慢，说明微分作用小了， 未能抑制住波动，应加长微分时间。总之，一面看曲线，一面分析和调整，直到满意为 止。
（2）是从表7-2中取Ti的某个值。如果需要微分，则取Td=（1/3～1/4）Ti。然后对δ进行凑试，也能较快达到要求。实践证明，在一定范围内适当组合δ与Ti的数值，可以获得相同的衰减比曲线。也就是说，δ的减小可用增加Ti的办法来补偿，而基本上不影响控制过程的质量。所以，先确定Ti、Td再确定δ也是可以的。 2．衰减曲线法 衰减曲线法比较简单，可分两种方法。 （1）4：1衰减曲线法 当系统稳定时，在纯比例作用下，用改变设定值的办法加入阶跃扰动，观察记录曲线的衰减比。然后逐次从大到小地改变比例度，直到出现4：1的衰减比为止。如图7-3所示。 记下此时的比例度δs（称4：1衰减比例度）和衰减周期Ts，再按表7-3的经验数据来确定PID值。 有的过渡过程，4：1衰减仍嫌振荡过强，可采用10：1衰减曲线法。如图7-4所示，方法同上。得到10：1衰减曲线，记下此时的比例度δs′上升时间Ts′，再按表7-4的经验公式来确定PID值。 阶跃干扰加得幅度过小则过程的衰减比不易判断，过大又为工艺条件所限制。所以一般在设定值的5%左右。扰动必需在工艺稳定时再加，否则得不到正确的δs、Ts或δs′、Ts′值。