復(fù)雜過程控制系統(tǒng)設(shè)計與SIMULINK仿真

1、銀河航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計（論文） 題目 復(fù)雜過程控制系統(tǒng)設(shè)計與Simulink仿真 班 級 學(xué) 號 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 目 錄0. 前言11. 總體方案設(shè)計22. 三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理32.1 串級控制系統(tǒng)32.2 前饋控制系統(tǒng)32.3 解耦控制系統(tǒng)43. 建立Simulink模型53.1 串級53.2 前饋53.3 解耦74. 課設(shè)小結(jié)及進一步思想14參考文獻14附錄 設(shè)備清單15復(fù)雜過程控制系統(tǒng)設(shè)計與Simulink仿真 銀河航空航天大學(xué)自動化分校摘要：本文主要針對串級、前饋、解耦三種復(fù)雜過程控制系統(tǒng)進行設(shè)計，以此來深化對復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的理解，體會復(fù)雜過程控制系統(tǒng)在工業(yè)生

2、產(chǎn)中對提高產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要作用。建立Simulink模型，學(xué)習(xí)在工業(yè)過程中進行系統(tǒng)分析和參數(shù)整定的方法，為畢業(yè)設(shè)計對模型進行仿真分析及過程參數(shù)整定做準(zhǔn)備。關(guān)鍵字：串級；前饋；解耦；建模；Simulink。0. 前言單回路控制系統(tǒng)解決了工業(yè)過程自動化中的大量的參數(shù)定制控制問題，在大多數(shù)情況下這種簡單系統(tǒng)能滿足生產(chǎn)工藝的要求。但隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程的發(fā)展，對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，對提高生產(chǎn)效率、降耗節(jié)能以及環(huán)境保護提出了更高的要求，這便使工業(yè)生產(chǎn)過程對操作條件要求更加嚴(yán)格、對工藝參數(shù)要求更加苛刻，從而對控制系統(tǒng)的精度和功能要求更高。為此，需要在單回路的基礎(chǔ)上，采取其它措施，組成比單回路系

3、統(tǒng)“復(fù)雜”一些的控制系統(tǒng)，如串級控制（雙閉環(huán)控制）、前饋控制大滯后系統(tǒng)控制（補償控制）、比值控制（特殊的多變量控制）、分程與選擇控制（非線性切換控制）、多變量解耦控制（多輸入多輸出解耦控制）等等。從結(jié)構(gòu)上看，這些控制系統(tǒng)由兩個以上的回路構(gòu)成，相比單回路系統(tǒng)要多一個以上的測量變送器或調(diào)節(jié)器，以便完成復(fù)雜的或特殊的控制任務(wù)。這類控制系統(tǒng)就稱為“復(fù)雜過程控制系統(tǒng)”，以區(qū)別于單回路系統(tǒng)這樣簡單的過程控制系統(tǒng)。 計算機仿真是在計算機上建立仿真模型，模擬實際系統(tǒng)隨時間變化的過程。通過對過程仿真的分析，得到被仿真系統(tǒng)的動態(tài)特性。過程控制系統(tǒng)計算機仿真，為流程工業(yè)控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計、控制、優(yōu)化和決策提供了依

4、據(jù)。同時作為對先進控制策略的一種檢驗，仿真研究也是必不可少的步驟?？刂葡到y(tǒng)的計算機仿真是一門涉及到控制理論、計算機數(shù)學(xué)與計算機技術(shù)的綜合性學(xué)科?？刂葡到y(tǒng)仿真是以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，主要用數(shù)學(xué)模型代替實際控制系統(tǒng)，以計算機為工具，對控制系統(tǒng)進行實驗和研究的一種方法。在進行計算機仿真時，十分耗費時間與精力的是編制與修改仿真程序。隨著系統(tǒng)規(guī)模的越來越大，先進過程控制的出現(xiàn)，就需要行的功能強大的仿真平臺Math Works公司為MATLAB提供了控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具Simulink，這為過程控制系統(tǒng)設(shè)計與參數(shù)整定的計算與仿真提供了一個強有力的工具，使過程控制系統(tǒng)的設(shè)計與整定發(fā)生了革命性的變

5、化。1. 總體方案設(shè)計本次設(shè)計共分為三個部分，分別對串級、前饋、解耦三個復(fù)雜過程控制系統(tǒng)進行設(shè)計。首先研究各復(fù)雜控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及工作原理原理，畫出它們的原理框圖，分析這些系統(tǒng)的特點，包括其被控過程的動態(tài)特性、對擾動的抗干擾能力等等，然后對這些系統(tǒng)進行具體設(shè)計，建立SImulink模型，然后選擇合適的工業(yè)過程進行參數(shù)整定及系統(tǒng)分析?？傮w方案如圖1所示：研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理畫原理框圖進行系統(tǒng)分析系統(tǒng)設(shè)計建立Simulink模型參數(shù)整定、仿真分析圖1 課程設(shè)計整體方案設(shè)計2. 三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理2.1 串級控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)具有多個控制器和一個執(zhí)行機構(gòu)，這些控制器被一個一個地串聯(lián)起來，前一個控制器的輸

6、出就是后一個控制器的設(shè)定值，其執(zhí)行機構(gòu)由最后一個控制器控制，這種系統(tǒng)被稱為串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)的基本組成如圖2所示：主對象副控制器副對象控制閥主控制器 副測量主測量圖2 串級控制系統(tǒng)的基本組成為了提高系統(tǒng)性能，在以為被控量的被控對象中適當(dāng)選取另一個可測變量為中間變量，稱為副被控量，也稱副參數(shù)，相對于把稱為主被控量，也稱主參數(shù)。以為分界，把整個受控過程分成兩個組成部分，以為輸出的部分稱為副對象，而以為輸入的部分稱為主對象。主被控量和副被控量通過各自的控制器構(gòu)成閉環(huán)控制。副被控量的控制回路在內(nèi)，其設(shè)定值就是主控制器的輸出，而副控制器的輸出就直接控制控制閥，這兩個控制回路稱為內(nèi)環(huán)和外環(huán)。通常把

7、作用在主對象上的擾動稱為一次擾動，作用在副回路上的擾動稱為二次擾動。2.2 前饋控制系統(tǒng)可測干擾 M前饋控制是針對擾動量及其變化進行控制的。其原理圖如圖3： 輸出Y給定值 X 圖3 前饋控制原理圖 在前饋控制中，為干擾源至系統(tǒng)輸出的干擾通道傳遞函數(shù)；為前饋調(diào)節(jié)器函數(shù)；為干擾源至系統(tǒng)輸出的控制通道傳遞函數(shù)；為給定環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)。系統(tǒng)輸出為：Y=X+M(+)干擾對系統(tǒng)的作用是通過干擾通道進行的，前饋的控制原理是給系統(tǒng)附加一個前饋通道，使所測量的系統(tǒng)擾動通過前饋控制器改變控制量。利用擾動所附加的控制量與擾動對被控量影響的疊加消除和減小干擾的影響。 2.3 解耦控制系統(tǒng)解耦方法有很多方法，這里只說前饋補

8、償解耦設(shè)計。過程可以表示為 若令 而又滿足 則有 （1） （2）而 同理令 可得 這樣就實現(xiàn)了過程解耦，式（1）和式（2)為補償器結(jié)構(gòu)，它和串聯(lián)補償不同，采用的是前饋補償?shù)牟蛔冃栽?。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示：-回路1+ 圖4 前饋補償法解耦框圖回路2+-+ 3. 建立Simulink模型3.1 串級以隧道窯系統(tǒng)對象進行仿真研究?？紤]將燃燒室溫度作為副變量，燒成溫度為主變量，燃燒室溫度為副變量的串級控制系統(tǒng)中主、副對象的傳遞函數(shù)和分別為：主、副控制器的傳遞函數(shù)和為：建立系統(tǒng)的Simulink模型如圖5所示：圖5 串級控制時系統(tǒng)的Simulink模型在圖5中，q1為一次擾動，取階躍信號；q2為二次擾

9、動，取階躍信號；PID C1為主控制器，采用PID控制；PID C2為副控制器，采用PID控制；為副對象；為主對象；r為系統(tǒng)輸入，取階躍信號；c為系統(tǒng)輸出，它連接到示波器上，可以方便的觀測輸出。3.2 前饋這里進行前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)仿真。前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)仿真主要包括：系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)整定和系統(tǒng)仿真等內(nèi)容。假設(shè)被控對象的干擾通道傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)被控部分傳遞函數(shù)為：給定部分傳遞函數(shù)為： 可測干擾 M(s)采用前饋、反饋分別整定的方法，前饋整定參數(shù)為，。若系統(tǒng)采用PID控制，則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示:動態(tài)前饋 補償器 + + _+ 給定值 X(s)輸出Y(s)+_PID1圖6 前饋反饋復(fù)合控

10、制系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)穩(wěn)定性分析是實驗調(diào)試中正確把握試驗方法、試驗參數(shù)的基本依據(jù)。對圖5所示系統(tǒng)反饋環(huán)節(jié)開環(huán)穩(wěn)定性進行分析（不含PID調(diào)節(jié)器部分），為分析方便取：不含PID調(diào)節(jié)器的開環(huán)傳遞函數(shù)可近似寫成：可見開環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。反饋控制器取為PI形式。采用階躍響應(yīng)法整定PI參數(shù)。開環(huán)階躍響應(yīng)SImulink框圖如圖7所示：圖7 開環(huán)階躍響應(yīng)Simulink框圖其中階躍輸入控制量，因此得：利用各整定參數(shù)及系統(tǒng)模型辨識結(jié)果構(gòu)建系統(tǒng)前饋反饋復(fù)合控制Simulink框圖如圖8所示：圖8 系統(tǒng)前饋反饋復(fù)合控制Simulink框圖3.3 解耦這里進行前饋補償解耦控制仿真。以鍋爐燃燒系統(tǒng)為對象，可控制輸入量為燃料流量

11、和助燃空氣流量，被控量和溫度，為系統(tǒng)蒸汽壓采用參數(shù)前饋補償解耦法對噶系統(tǒng)進行仿真。此為雙輸入雙輸出系統(tǒng)，初步選擇輸入x1、x2分別對應(yīng)輸出y1、y2。經(jīng)辨識，得系統(tǒng)輸入、輸出的傳遞關(guān)系為：(3)由式（3）的系統(tǒng)靜態(tài)放大系數(shù)矩陣為： (4)即系統(tǒng)的第一放大系數(shù)矩陣為：(5)系統(tǒng)的相對增益矩陣為：(6)由相對增益矩陣可以看出，控制系統(tǒng)輸入、輸出的配對選擇是錯誤的，應(yīng)調(diào)換。為了表述方便，調(diào)換后仍用輸入x1(原x2)、x2(原x1)分別對應(yīng)輸出y1、y2，輸入、輸出之間的傳遞關(guān)系為：(7)輸入、輸出重新匹配后，系統(tǒng)輸入、輸出結(jié)構(gòu)如圖9所示：+輸出 輸入輸出 輸入 +圖9 重新匹配后的系統(tǒng)耦合關(guān)系可求得

12、相對增益矩陣為：(8)由式(8)知,輸入x1、x2分別對輸出y1、y2的控制能力接近于1，通道間相互耦合接近零。如不強調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)跟隨特性，只考慮穩(wěn)態(tài)特性，則系統(tǒng)的兩個通道耦合很弱不需要解耦。但如果考慮動態(tài)情況，由于系統(tǒng)純在耦合，則容易形成正反饋，應(yīng)對系統(tǒng)進行耦合分析。本次選擇前饋方式實現(xiàn)解耦，前饋解耦控制器分別為：(9)(10)采用前饋解耦后，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖10所示：被控耦合系統(tǒng)前饋補償 + + 輸出 + _ 輸入 + +輸出 _ + 輸入圖10 采用前饋耦合后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解耦前后系統(tǒng)的Simulink階躍仿真框圖如圖11所示： (a) 系統(tǒng)不純在耦合的Simulink仿真框圖 (b) 系統(tǒng)耦

13、合Simulink仿真框圖 (c) 利用前饋補償實現(xiàn)系統(tǒng)耦合的Simulink仿真框圖 圖11 系統(tǒng)解耦狀態(tài)對比Simulink仿真框圖圖11(a)為系統(tǒng)無耦合的Simulink階躍仿真框圖；圖11(b)為系統(tǒng)耦合時Simulink階躍仿真框圖；圖11(c)為系統(tǒng)采用前饋耦合后的Simulink階躍仿真框圖。通過前饋補償解耦，原系統(tǒng)已可看成兩個獨立的單輸入單輸出系統(tǒng)?？紤]到PID應(yīng)用的廣泛性和系統(tǒng)無靜差要求，控制器采用PI形式。PI參數(shù)整定通過解耦的兩個單輸入單輸出系統(tǒng)進行。其Simulink框圖分別如圖12所示。整定采用試誤法。(a) x1y1通道PI整定Simulink框圖(b) x2y2

14、通道PI整定Simulink框圖圖12 系統(tǒng)解耦后各通道獨立整定Simulink框圖實現(xiàn)完全解耦的系統(tǒng)可以分別用兩個單輸入單輸出系統(tǒng)仿真。但為了從整體角度進一步管擦解耦情況，仿真時按整體進行如圖13所示：(a) PI模塊的結(jié)構(gòu)(b) 解耦時系統(tǒng)的Simulink仿真框圖(c) 不解耦時系統(tǒng)的Simulink仿真框圖圖13 系統(tǒng)解耦與不解耦時，系統(tǒng)的Simulink仿真框圖為了對比解耦和不解耦兩種情況，圖13(b)為解耦時系統(tǒng)的Simulink仿真框圖，圖13(c)為不解耦時系統(tǒng)的Simulink仿真框圖。其中PI1PI4的結(jié)構(gòu)如圖13(a)所示。各處 干擾均為幅度為的隨機擾動。4. 課設(shè)小結(jié)及

15、進一步思想通過這次緊張的課程設(shè)計，我收獲頗多，每天面對著電腦，翻閱各種相關(guān)資料，體會頗深。對于復(fù)雜過程控制和Matlab中仿真工具Simulink的學(xué)習(xí)，有種意猶未盡之感，在這次課設(shè)中，加深了對復(fù)雜過程控制和Matlab中仿真工具Simulink相關(guān)知識的理解，鞏固了原有知識的同時又學(xué)到了一些新鮮的知識。很感謝老師的耐心教導(dǎo)，她的認真負責(zé)讓我們折服。這次的課設(shè)讓我找到了方向，讓我懂得了很多：知識是多方面的，要想學(xué)好任何一門知識都要付出很多努力，堅持不懈；同時，想要做好一件事就要身心投入，認真去做。由于時間倉促，以及自身水平有限，這次的課設(shè)只對復(fù)雜過程控制中的串級、前饋、和解耦進行了學(xué)習(xí)和Simulink建模，對于仿真需要的參數(shù)還沒有整定出來，因此也未能進行具體的仿真分析。在課設(shè)結(jié)束之后我要繼續(xù)學(xué)習(xí)，把畢設(shè)中的其它工作早日完成。參考文獻1 王正林，郭陽寬. 過程控制與Simulink應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社, 2006.72 邵裕森、戴先中. 過程控制工程. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2000.53 劉文定.