过程控制工程概论实验指导书(学生版).doc
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1、可修改可编辑过程控制工程概论课程实验指导书电子电气工程学院自动化系2012.2欢迎下载目 录第一章 前言. .3第二章 过程控制工程概论实验1解耦控制系统仿真实验. . . . . .42纯滞后补偿控制系统仿真实验. . .73预测控制系统仿真实验. .11第一章 前 言本实验课程是与学科专业基础选修课程过程控制工程概论相配合的实践课程。过程控制工程是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表等知识相结合的一门综合性应用学科,过程控制系统仿真是架起理论和实践之间的重要桥梁,是掌握过程系统分析与设计精髓的重要手段。对先进控制系统进行仿真,其不仅可以使学生加强课程的学习效果,而且还可为学生在毕业设计
2、中提供一个强有力的工具,有效加强教学中的实践性教学环节,提高学生的独立工作能力和创造性思维能力。开设本课程的目的,主要是培养学生运用MATLAB语言进行过程控制系统设计与分析的能力,为今后从事科研工作和与专业有关的工程技术工作打好基础。一、上机实验要求1、要求学生熟悉MATLAB中的控制系统工具箱、预测控制工具箱与与SIMULINK软件包。2、能根据有关控制算法,编写有关的MATLAB程序。3、能对实验结果进行分析和讨论,得到相关的实验结论。二、上机实验的基本程序:1、明确实验任务。2、提出实验方案。3、利用SIMULINK工具建立系统的仿真模型,编制有关的MATLAB程序。4、进行实验操作,
3、作好观测和记录,保存有关的实验数据。5、整理实验数据,得出结论,撰写实验报告。在进行上机实验时,上述程序应让学生独立完成,教师给予必要的指导,以培养学生的动手能力。要做好各个上机实验,就应做到:实验前做准备,实验中有条理,实验后勤分析。实验一 解耦控制系统仿真实验一、实验目的了解解耦控制系统的特点和设计方法,掌握前馈补偿解耦控制系统、反馈补偿解耦控制系统和对角阵解耦控制系统的仿真方法,对采取解耦措施后系统的性能进行分析。 二、实验方法在MATLAB环境下,进行SIMULINK仿真,分别建立前馈补偿解耦控制系统、反馈补偿解耦控制系统和对角阵解耦控制系统的仿真框图,分析解耦调节器的参数设置和简化方
4、法。对所设计的解耦控制系统进行动态特性分析,并研究系统的鲁棒性。三、实验设备1586以上微机,16M以上内存,400M硬盘空间,2X CD-ROM2MATLAB7及以上版本,含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、实验内容已知某化学反应过程,通过控制反应过程的温度和反应釜内压力变化控制反应过程。可控制输入、分别为两物料流量,系统输出、分别为反应过程温度和反应釜内压力。系统输入输出之间的传递关系为:分别利用前馈补偿解耦方法、反馈补偿解耦方法和对角阵解耦方法对该控制系统进行控制仿真。 五、实验方法 1.前馈补偿解耦控制系统的设计方法 前馈补偿是自动控制中最早出现的一种克服干扰的方法,
5、同样适用于解耦系统。下图所示为应用前馈补偿器来解除系统间耦合的方法。图1 前馈补偿解耦控制系统方框图 解耦补偿装置和可根据前馈补偿原理求得:, 2.反馈补偿解耦控制系统的设计方法 反馈补偿解耦控制系统是多变量解耦控制非常有效的方法。该方法的解耦器布置在反馈通道上。下图所示为应用反馈补偿器来解除系统间耦合的方法。图2 反馈补偿解耦控制系统方框图 解耦补偿装置和可根据反馈补偿原理求得: , 3.对角阵解耦控制系统的设计方法对角矩阵解耦方法是一种常见的解耦控制方法,尤其对复杂系统应用非常广泛。其目的是通过在控制系统附加一矩阵,使该矩阵与对象特征矩阵乘积所构成的广义对象矩阵成为对角矩阵,从而实现系统解
6、耦。下图所示为对角阵解耦控制系统的方框图。图3 对角阵解耦控制系统方框图根据解耦要求可求得,解耦补偿矩阵六、实验步骤1. 分别进行前馈解耦调节器、反馈补偿调节器和对角阵解耦调节器的设计。2. 在MATLAB环境下,分别建立前馈补偿解耦控制系统、反馈补偿解耦控制系统和对角阵解耦控制系统的仿真框图。3. 施加阶跃输出,研究反应过程温度的变化情况。4. 施加阶跃输出,研究反应釜内压力的变化情况。 5. 分析控制系统的动态性能、稳态性能和鲁棒性。七、问题与讨论1、解耦控制系统的作用是什么?应用在什么场合?2、解耦控制系统有哪些典型的解耦方案,各方案有何特点? 3、谈谈实验体会。实验二 纯滞后补偿控制系
7、统仿真实验一、实验目的了解纯滞后补偿控制系统的特点和设计方法,掌握史密斯预估补偿控制系统和改进型史密斯预估补偿控制系统的仿真方法,对纯滞后补偿控制系统的性能进行分析。 二、实验方法在MATLAB环境下,进行SIMULINK仿真,分别建立史密斯预估补偿控制系统、增益自适应史密斯预估补偿控制系统和双控制器补偿控制系统的仿真框图,分析控制器的参数设置方法。对所设计的纯滞后补偿控制系统进行动态特性分析,并研究系统的鲁棒性。三、实验设备1586以上微机,16M以上内存,400M硬盘空间,2X CD-ROM2MATLAB7及以上版本,含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、实验内容在估计器无
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