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1、电气信息工程学院 计算机仿真课程实习报告课题名称：基于MATLAB的过程控制系统的设计专 业： 自动化 姓 名： 曾 涛 班级学号： 08级1班33号 指导教师： 刘英晖 成 绩： 二一一年六月二十四日 目录1 MATLAB简介11.1 MATLAB的特点11.2 MATLAB的功能11.3 MATLAB语言的优点22 计算机仿真课程实习的目的23 过程控制系统的设计23.1 过程控制系统的性能分析23.2 PID控制器的设计33.2.1 PID控制器的基本原理33.2.2 PID控制器参数的整定53.2.3 仿真及结果分析73.3 Smith预估补偿器的设计83.3.1 Smith预估补偿器
2、的基本原理83.3.2 仿真及结果分析84 计算机仿真课程实习的心得体会95 参考文献101 MATLAB简介MATLAB是美国math works公司推出的一个高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。 MATLAB的推出得到了各个领域的广泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础。由各个领域的专家学者相继推出了MATLAB工具箱，其中控制类的主要有信号处理、控制系统、神经网络、图像处理等。借助MATLAB的这些工具箱，人们可直观、方便地进行分析、计算及设计工作，从而大大节省了时间，并能很快地设计出更多的解决
3、方案来确保未来更多的技术需要。MATLAB名字由MATrix和 LABoratory 两词的前三个字母组合而成。20世纪七十年代后期时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的Cleve Moler教授出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。经几年的校际流传，在Little的推动下，由Little、Moler、Steve Bangert合作，于1984年成立MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市场。1.1 MATLAB的特点功能强大的数值运算语言简洁紧凑先进的资料视觉化功能 开放及可延伸的架构丰富的程式工具箱移植性和开放性好语句简单，内涵丰富
4、高效方便的矩阵和数组运算方便的绘图功能1.2 MATLAB的功能MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。1.3 MATLAB语言的优点用MATLAB编程运算与人进行科学计算思路和表达方式一样，所以用MATLAB进行运算和在草稿纸上演算数学题一样方便。MATLAB既像一种万能的，科学的数学运算“演算纸”，又像一种万能的计算器一样方便快捷。MATLAB大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，即使用户不懂C或FORTRAN这样的程序设计语言，
5、也可使用MATLAB轻易地再现C或FORTRAN语言几乎全部的功能，从而设计出功能强大，界面好，稳定可靠的程序，编程效率和计算效率极高。2 计算机仿真课程实习的目的（1）、熟悉MATLAB语言的使用，学习并掌握程序的编写和调试过程。（2）、采用MATLAB完成控制系统的建立、分析和设计仿真，了解和掌握MATlAB对控制系统的分析和设计的原理。3 过程控制系统的设计3.1 过程控制系统的性能分析 原系统simulink仿真模型框图： 图3-1 图3-2延迟环节对系统性能的影响：当过程控制系统存在大纯延迟环节时，会使系统的闭环特征方程式包含纯延迟因子，这就必然导致系统的稳定性降低。特别是，当延迟时
6、间足够长时，还可能造成系统的不稳定。 结论：由图象可知，原系统超调量较大，调节时间长，稳定性较差，需要通过设计使系统响应更加迅速。3.2 PID控制器的设计3.2.1 PID控制器的基本原理PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可
7、以保持系统的稳定。PID是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法都是用加法调整被控制的数值。而实际上这些加法运算大部分变成了减法运算因为被加数总是负值。这三种算法是：比例环节- 来控制当前，误差值和一个负常数P（表示比例）相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。这种控制器输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系。比如说，一个电热器的控制器的比例尺范围是10C，它的预定值是20C。那么它在10C的时候会输出100%，在15C的时候会输出50%，在19C的时候输出10，注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。积分环节 - 来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和
8、，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系统会在预定值定下来。微分环节 - 来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D参数。
9、 用更专业的话来讲，一个PID控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。这一点在计算它是否会最终达到稳定结果时很有用。如果数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，这导致系统可能永远无法达到预设值。根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差 ，将偏差的比（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为 或写成传递函数 式中KP比例系数 TI积分时间常数 TD微分时间常数 3.2.2 PID控制器参数的整定参数整定方法：1） 置调节积分时间T到最大值（T=），微分时间T为零（T=0），比例带置较大值，使控制系统投入运行。2） 待系统运
10、行稳定后，逐渐减小比例带，直到系统出现等幅震荡，即所谓的临界震荡过程。记录下此时的比例带，并计算两个波峰之间的Tcr(临界震荡周期)。Tcr=12.43） 利用比例带和Tcr值，按经验公式计算整定参数。图3-3图3-4KP=1/（1.67*1.1335）=0.528 KI=KP/（0.50*Tcr）=0.085 KD=KP/（0.125*Tcr）=0.341参数结果：图3-53.2.3 仿真及结果分析PID控制系统simulink仿真模型框图： 图3-6PI与PID控制系统的对比图象：图3-7结论： 由两者的对比图像可分析出，PID控制器相比于PI控制器，引入有效的早期修正信号，从而加快系统的
11、动作速度，在调节时间上明显变短，并且系统的稳定性能也更好，所以PID控制器的优势更明显。3.3 Smith预估补偿器的设计3.3.1 Smith预估补偿器的基本原理预先估计出被控过程的动态模型，然后将预估器并联在被控过程上，使其对纯滞后过程中特性进行补偿，力图将被控延迟时间的被控量提前送入调节器，因而调节器能提前动作，这样就通过补偿装置消除了纯滞后特性在闭环中的影响。从而可明显地减小过程的超调量，缩短过渡过程时间，有效地改善控制品质，所以它是一种比较理想的大滞后系统控制方案。3.3.2 仿真及结果分析Smith预估器控制器系统simulink仿真模型框图：图3-8PID控制与Smith预估器对
12、比图图3-9结论：由两者的对比图像可分析出，Smith控制器相比于PID控制器，超调量几乎为零，上升时间，调节时间上明显变短，并且系统的稳定性能也更好，能有效克服纯滞后环节对控制系统稳定性的影响，所以Smith控制器的优势相比于PID控制器更明显。在采用Smith预估补偿控制,系统输出响应曲线与常规PI或PID算法相比,前者均有明显较好的控制性能。不过,模型参数变化时与精确时输出响应相比,前者又略有不足:当模型参数增大时,输出响应有微小的超调产生,调节时间缩短一些;当模型参数减小时,系统调节时间增长,但过程更平稳。程序清单：4 计算机仿真课程实习的心得体会在为期一周的实习过程中，我学到了许多书
13、本上学不到的知识，本以为十分枯燥的设计过程却让我得到了很多乐趣，同时也让我懂得了团队合作的力量，为今后的进一步学习奠定了基础。 当老师布置完题目后，由于对需要掌握的知识还不是十分理解，于是我通过看教材和查资料等方式将相关内容分析清楚，然后和组员一步步地分模块地完成各个部分的任务，最终成功地完成了对整个系统性能的分析和改进。 一周的实习对我来说，除了知识的增加和技能的提高，这一过程也对我意志的锻炼和自学能力的培养产生了深远的影响。我们在绘制图像的时候，程序是正确的，但是图像却不能仿真出来，我们分析了很多原因，比如说文件存放的路径可能不正确，或者simulink仿真模型框图连接有问题等，可是问题依
14、旧没有解决，最后在老师的帮助下才发现原来图像函数的名称没有统一。我觉得想要学好MATLAB是不容易的，这是一件需要持之以恒且要细心的事，必须要坚持不懈的学习，还需要敢于开口向别人请教，更需要我们勤于思考，勤于记忆，勤于动手。程序设计是实践性和操作性很强的事情，需要我们亲自动手。因此，我们应该经常自己动手实际操作设计程序，熟悉MATLAB的操作，这对提高我们的操作能力非常有效，这次实习中得到的这些经验和教训对我今后的学习将会有很大的帮助，让我明白不仅要充分的掌握课本上的知识，而且要活学活用、学以致用，不能过分强调基本理论的掌握，而应该侧重于基本知识和实际的相结合。 我觉得，从计算机仿真技术这门课
15、程的特点来看，掌握如何对系统进行正确的分析和改进，使系统在最优的状态下运行，这才是我们学习MATLAB软件的关键所在，而具有一定的系统分析能力和设计能力才是本次实习的目的。 本次实习使我把学到的理论知识和实际的操作相结合，对计算机仿真这门课程又有了新的理解和认识，这对于我今后的学习会有事半功倍的效果。非常感谢本次实习给了我这样一个锻炼我的机会，在此也感谢老师对我的指导！ 5 参考文献【1】刘豹，唐万生.现代控制理论（第三版）.北京：机械工业出版社，2006【2】李国勇，谢克明，杨丽娟.计算机仿真技术与CAD（第二版）.北京：电子工业出版社，2009【3】王建辉，顾树生.自动控制原理.北京：清华大学出版社，2007