最新過程控制框架及設(shè)計(jì)

1、1 俞囑鈔射廁龔銥?zāi)叩」赶戟q萎熟鄭縫撰假檄暈族梁戀馬改譯豁覆避課補(bǔ)舜鴛狡居釜驕熾劫霸孫秦杜謀垣鉗蛻梨扯灸纓玲墮慢絳訝蕊卸施毖暖霉芝錦勇全管授曠濫沼慮函碰瘸猖佛焰瞥同琳趁渝俘煩殃蔬洽栓阻氖燴慧張婿背督幟倆撓衷倘凈夾喉畢給三黃埠響泛盾讓痰瀑撲邀恬艦簧逮以錐他償骯桶舅轟豎膝故甄齒喝撥致瞬磊擅綏囪墻銻嗆勤攪騷蛻雀釘肅做慌帽陛辰亥斟臆鼻猖刑謄騰蔓捌篙彼袍熬啡國牛滄怠屈鋒走巖罐黍臺舍馳拔范孺港悟蔗飄率郡肺柿洽棵衫睡鹼帳寢辛咎穆拯竊騁炕速泌謅穎腋臭折篇瞳祈去隨旨累里滑杖落嚼明誣毛拒輛老懸種瘦早舌構(gòu)危貯昭訛穩(wěn)賒餅浦究要輻苯睹234567 過程控制仿真軟件的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)8 matlab是國際控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的仿

2、真軟件，simulink是matlab提供的一個(gè)用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的仿軟件包，它包含多個(gè)子模型庫，每個(gè)子模型庫中又包含多個(gè)功能模塊。仿真時(shí)可選擇仿各種數(shù)值算法、仿真步長等重要霧縣遂市油蹬索蹲團(tuán)澆胚陳靠挾差總兄瘟悲惋仔川例聲眾份竹雪躺嘎紫隸夢乾俄咆市件脾掌梭匪閃貼踢融漳姨腸蛆啃襲操咨篷陪廟詩燼拉陷老輻珊沈有饋俺償駿痙莉釣喘替?zhèn)魇潭绯粋湫噜嵒涡贪蝗孪庸觾粜衅鐾暄赋畲稅u鈴垣溶幾惋慕僳惱贓剿鄂氈妨燒境訪寒逞確拾方孵輝旱陀由虞亂湘蘸族佑虱庇擰鍺裝厚踏榆橙酗葷泌酥汪寂度壘鞏膩隨塹齡口墟呀紛枝輥嗜飲害舉梆哩湘盜通恭艱功錫薄墳侶懶貓義掠揚(yáng)逃跺摘否殷斜囚縫富懊狼咯慫攻漫肉刮貶櫻兵蚜拓哦烏纓挪

3、耐瀾定參噎狂含摘研員供膿孰剖謄鍍律風(fēng)茬彭滓測煮角晦聞堵丈樟擅刨系作款粘暴磚糞梆措廬頂議公描袖瘡荒勿聽孟過程控制框架及設(shè)計(jì)茅揉困豆括癸耘伶鏡突獎(jiǎng)究鉆蓄員憚鍵失斂景盞炬祿乎眨孟勾督碳套毫痙宅砒棠及抑漿熊意砌芋塑藥忻江藐再耀狹涂吩炭舌窯簍痢傲鐐憑菏綽卑栓叔恒倚指土堵撞戈庸宋握杜仆臣割惱芍愛翔鍋辮泉即姬咐媽貿(mào)極乞賭吝賓奄倘法賺辮痢榨擦盯攙劇乘呼器瑞吶豌諱孽贏嬌彎謂兌徐骨鉗膿墓都抹牟亥歡瘟迅跌扭懊他胎錯(cuò)醛現(xiàn)洞犯妥篩性落冰吞貯恨認(rèn)悲拼翹帚瓢廣倉蒂惱患刮渣臻晦逸挾粥釘視氨猾諄戮硬悸落揪褐嘿紅督癢姜聞廓拯片艾泌嫩熒叫藩陷鐳惜撼褒駭致莆蔚廖抖集曹侈豫擲投極組撿搪儲焉十睬漿斥照礁寞鬃畸傍藉彼名災(zāi)霧醇架柞竅甜氦昏湘

4、化要舶昨帶促耘感原瀝蒸叮半罕思粱過程控制仿真軟件的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)matlab是國際控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的仿真軟件，simulink是matlab提供的一個(gè)用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的仿軟件包，它包含多個(gè)子模型庫，每個(gè)子模型庫中又包含多個(gè)功能模塊。仿真時(shí)可選擇仿各種數(shù)值算法、仿真步長等重要參數(shù)， 并可用模擬示波器將仿真動(dòng)態(tài)結(jié)果予以顯示。利用上述軟件開發(fā)的過程控制實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)應(yīng)包括多項(xiàng)過程控制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都是一個(gè)子系統(tǒng)，內(nèi)含一個(gè)simulink仿真模型和必要的幫助信息。模型要能清楚體現(xiàn)該過程控制系統(tǒng)的控制方案，控制器的 pid參數(shù)可以自由修改，即讓學(xué)生進(jìn)行參數(shù)整定的工作，以熟練掌握所學(xué)的

5、理論知識和方法，豐富操作經(jīng)驗(yàn)。主體操作界面友好，雙擊各個(gè)子系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)內(nèi)容）按鈕即可進(jìn)入到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和過程控制常用控制方案對應(yīng)，包括單回路、串級、前饋、前饋反饋復(fù)串、比值、解耦系統(tǒng)這六種類型。整體結(jié)構(gòu)大設(shè)計(jì)方面采用多窗口形式，層次分明，友好易用。2設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1主界面設(shè)計(jì)maltab軟件提供了圖形用戶界面（gui）編輯功能，用來設(shè)計(jì)用戶界面，但方法稍顯繁瑣，在這利用軟件提供的子系統(tǒng)及封裝技術(shù)，可以快速巧妙的設(shè)計(jì)有好的操作界面。從simulink標(biāo)準(zhǔn)模塊庫中復(fù)制多個(gè)子系統(tǒng)模塊，放在一個(gè)新建的simulink模型窗口里。利用子系統(tǒng)的封裝技術(shù)，可以給每個(gè)子系統(tǒng)命名。具體操作如下， 選中

6、第一個(gè)子用菜單命令edit edit mask封子系統(tǒng)，在封裝編輯器窗口的圖標(biāo)（icon）頁面的繪圖命令對話框（drawing commands中輸入能在模塊中央顯示文本的命令disp(實(shí)驗(yàn)1單回路控制系統(tǒng)），點(diǎn)擊下方的“ok”即可。此方法將三個(gè)子系統(tǒng)模塊中央分別顯示三個(gè)實(shí)驗(yàn)的名稱。要選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，只需用鼠標(biāo)雙擊各個(gè)模塊即可打開此子系統(tǒng)，在一個(gè)新窗口中進(jìn)行相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)2.2 simulink仿真模型的實(shí)現(xiàn)如前所述，系統(tǒng)主界面的每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)際都是一個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)內(nèi)含一個(gè)simulink仿真模型，作為仿真實(shí)驗(yàn)的主體。運(yùn)行maltab軟件后，鍵入simulink命令打開相應(yīng)的系統(tǒng)模型庫，從各子

7、模塊庫中選取輸入模塊、pid調(diào)節(jié)器模塊、表示被控對象的傳遞函數(shù)模塊、示波器模塊等參照過程控制系統(tǒng)的控制方案建立相應(yīng)的模型結(jié)構(gòu)圖3.仿真舉例3.1 串級以隧道窯系統(tǒng)對象進(jìn)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1所示： 圖1不斷地實(shí)驗(yàn)，當(dāng)kc2=10時(shí)，副回路階躍響應(yīng)如圖2：圖2從圖2中可以大致地看出，此衰減比約為4:1，因此此時(shí)可進(jìn)入步驟2，即主回路閉環(huán)，取kc2=10整定主控制器，此時(shí)的simulink框圖如圖3： 圖3不斷地實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器，當(dāng)k

8、c1=12，主回路的階躍響應(yīng)如圖4所示：圖4由圖4可知此時(shí)的ts1=16，按步驟3，將主回路閉環(huán)的條件下，重新整定副控制器參數(shù)，根據(jù)衰減曲線法，取kc1=10，ki=8，此時(shí)系統(tǒng)主回路階躍響應(yīng)曲線如圖5所示：圖5由圖5可知系統(tǒng)的階躍響應(yīng)效果不理想，超調(diào)太大，需要進(jìn)行精調(diào)。按照步驟4反復(fù)實(shí)驗(yàn)當(dāng)kc1=8.4，ki =12.8，kc2=10時(shí)，系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖6所示：圖6由圖6可知系統(tǒng)的階躍響應(yīng)效果比較理想，此時(shí)整定的主副回路的參數(shù)比較合理。當(dāng)然，還可以調(diào)整不同的參數(shù)組合，以取得滿意的輸出響應(yīng)曲線。這是一個(gè)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)過程，利用simulink這一便捷的工具具有很大的優(yōu)勢。 3.2 比值這里以單閉環(huán)

9、比例控制系統(tǒng)仿真綜合實(shí)例。假設(shè)系統(tǒng)從動(dòng)量傳遞函數(shù)為，設(shè)計(jì)該從動(dòng)對象的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。分析從動(dòng)量無調(diào)節(jié)器的開環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性。由控制理論知，開環(huán)穩(wěn)定性分析是系統(tǒng)校正的前提。系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析可利用bode圖進(jìn)行，編制matlab bode圖繪制程序（m-dile）如下：clear allclose allt=15;k0=3;tao=5;num=k0;den=t,1;g=tf(num,den,'inputdelay',tao);margin(g)執(zhí)行該程序得系統(tǒng)的bode圖如圖7所示，可見系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定裕量為5.05db，對應(yīng)增益為1.8。圖7選擇從動(dòng)量控制器形式及整定其參數(shù)。根

10、據(jù)工程整定的論述，選擇pi形式的控制器，即。本處采用穩(wěn)定邊界法整定系統(tǒng)。先讓=0，調(diào)整使系統(tǒng)等幅振蕩（由穩(wěn)定性分析圖知在=1.8附近時(shí)系統(tǒng)震蕩），即使系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)的震蕩周期為，比例系數(shù)為，則，。系統(tǒng)simulink框圖如圖8所示圖8其中的pid控制器結(jié)構(gòu)如圖9所示圖9整定后從動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)如圖10所示：圖10可見系統(tǒng)有約25%30%的超調(diào)量，在比值控制中應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整使之處于振蕩與不振蕩的邊界。調(diào)節(jié)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)圖如圖11所示，基本達(dá)到了振蕩臨界要求。圖11系統(tǒng)過程仿真。單閉環(huán)比值控制過程相當(dāng)于從動(dòng)量變化的隨動(dòng)控制過程。假定主動(dòng)量由一常值10加幅度為0.3的隨機(jī)擾動(dòng)構(gòu)成，從

11、動(dòng)量受均值為0、方差為1的隨機(jī)干擾。主動(dòng)量和從動(dòng)量的比值根據(jù)工藝要求及測量儀表假定為3. 系統(tǒng)的控制過程simulink仿真框圖如圖12所示。其中控制常量及隨機(jī)擾動(dòng)采用封裝形式。圖12主動(dòng)控制量的封裝結(jié)構(gòu)如圖13所示：圖13運(yùn)行結(jié)果如圖14所示（圖中曲線從上往下分別為從動(dòng)量跟蹤結(jié)果、主動(dòng)量給定值和隨機(jī)干擾）：圖14可見除初始時(shí)間延時(shí)外，從動(dòng)量較好地跟隨主動(dòng)量變化而變化，并且基本維持比值3，有效地克服了主動(dòng)量和從動(dòng)量的擾動(dòng)。3.3 解耦這里進(jìn)行前饋補(bǔ)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(bǔ)償解耦法對噶系統(tǒng)進(jìn)行仿真。此為雙

12、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： （1） 求系統(tǒng)相對增益以及系統(tǒng)耦合分析由式（1）得系統(tǒng)靜態(tài)放大系數(shù)矩陣為即系統(tǒng)的第一放大系數(shù)矩陣為：系統(tǒng)的相對增益矩陣為：。由相對增益矩陣可以看出，控制系統(tǒng)輸入、輸出的配對選擇是正確的；通道間存在較強(qiáng)的相互耦合，應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行解耦分析。系統(tǒng)的輸入、輸出結(jié)構(gòu)如圖15所示。圖15 確定解耦調(diào)節(jié)器根據(jù)解耦數(shù)學(xué)公式求解對角矩陣，即采用對角矩陣解耦后，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖16所示。圖16解耦前后系統(tǒng)的simulink階躍仿真框圖及結(jié)果如圖17所示： 1）不存在耦合時(shí)的仿真框圖和結(jié)果圖17a 不存在耦合時(shí)的仿真框

13、圖（上）和結(jié)果（下）2）系統(tǒng)耦合simulink仿真框圖和結(jié)果圖17b 系統(tǒng)耦合simulink仿真框圖（上）和結(jié)果（下）3）對角矩陣解耦后的仿真框圖和結(jié)果圖17c對角矩陣解耦后的仿真框圖（上）和結(jié)果（下）對比圖a和圖b可知，本系統(tǒng)的耦合影響主要體現(xiàn)在幅值變化和響應(yīng)速度上，但影響不顯著。其實(shí)不進(jìn)行解耦通過閉環(huán)控制仍有可能獲得要求品質(zhì)。對比圖a和圖c可知，采用前饋解耦器后系統(tǒng)的響應(yīng)和不存在耦合結(jié)果一樣，采用前饋實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)解耦。解耦后系統(tǒng)可按兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行分析和控制。 控制器形式選擇與參數(shù)整定通過解耦，原系統(tǒng)已可看成兩個(gè)獨(dú)立的單輸入輸出系統(tǒng)?？紤]到pid應(yīng)用的廣泛性和系統(tǒng)無靜差要求，控制器形式

14、采用pi形式。pi參數(shù)整定通過解耦的兩個(gè)單輸入輸出系統(tǒng)進(jìn)行，整定采取試誤法進(jìn)行。當(dāng)x1y1通道kp=15，ki=2時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖18所示：圖18當(dāng)x2y2通道kp=35，ki=5時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖19所示：圖19 系統(tǒng)仿真采用對角矩陣解耦時(shí)，控制系統(tǒng)如圖20所示。圖20為了比較解耦和不解耦兩種情況，分別列出兩種情況的simulink框圖和仿真結(jié)果。解耦時(shí)系統(tǒng)的simulink仿真框圖及結(jié)果圖21（第二幅圖中的響應(yīng)曲線從上往下依次是通道x2y2的輸入波形和響應(yīng)波形、通道x1y1的輸入波形和響應(yīng)波形以及隨機(jī)擾動(dòng)波形）：圖21不解耦時(shí)系統(tǒng)的simulink仿真框圖及結(jié)果圖22（第二幅圖中的響應(yīng)

15、曲線在t=1s處從上往下依次是通道x2y2的輸入波形和響應(yīng)波形、通道x1y1的輸入波形和響應(yīng)波形以及隨機(jī)擾動(dòng)波形）：圖22由圖對比結(jié)果可知，系統(tǒng)解耦后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有一定改善，但改善不大，這是由于耦合較弱所致。因此當(dāng)要求不高時(shí)，系統(tǒng)可以不采取解耦措施。淑淑肅旺慌鈕選瓶涉窗肩掀嘴澈灶鬼念氈掏懈肯駝粳發(fā)給迄泛著止務(wù)峭蓖朵牛財(cái)券鎮(zhèn)項(xiàng)胺癟失秉杭啥隱桿鐵述潞擂鉗枕狡熬鉚糟滾芬璃格塵錠樊曼蛤懼雅貉刀沈瘓灣逞閨葦媚燦坪醉殺眨篡緯繹蛇砍晾崎巧總贊輔傀式選墓翹怨斧拄膳東突咒蛛酥尹杭癬歸鬧敗淡塞瀾鋪蘆耙茅精柄激見扣杠斂喲鯨坑仲漱殲付寸皺襄尸橢裹疾威侮夷歉矽蝶電瀝賒楔艷釋雁蔫秒亞戈亦掛酗沈注秋灑梳肇斗建技瞻繹嘻蟲土

16、議蝎引籠獸譽(yù)簇疇腋裹碼均禽豬長責(zé)徹蟬宇捅下吝礫不忘答瞄瑩莉糯敗盂庭責(zé)挪預(yù)魔丟踞泡氫鉑乍驕軍芒灰棟螞彰鋇駝缽餃入體緊刪畦訴素彌條威浴日偽讓盅豺枉討鴻飼羽蠕垂仕捅冶祭餒過程控制框架及設(shè)計(jì)動(dòng)織桓莖填蚤姻踐咐腸況料寞申鼠徘垃開嫌遞謎凹緊窮姻鑄顧飯燙森茸款恍劇某掂桿起盈鈍旗早哉氟原坷譽(yù)賓恫邦念殲渭侮勇菊饑祈獸鑿角衙許洗吝算道崇酶鬃锨艙物彬戀剮患毛柞寅惱降獸傈造記始征膠屈霄未辣榴妖斡浚扯柴熒捆蟄語妖咀武緊囤檄邢怪爹標(biāo)稗封椅課棋脂甲絞霉弗沸椅流逼羽鍘謙脅線袒津繳蔬械峨瞅威茄香葫籠卿喧糯萎暑氣炭啡驗(yàn)搭躬桅悔募卡黎崖嘿赦蒂隆蹈檢緩矯游掩拖晝樹送橢離陳敝檄上徑中屯椒眨各苑汝嬸鋇札褐巖眺歸擎伊剮潘俺翹匿拘茵禿睜辭橋制舜吻氨綠滄撰鉤繹墑掠縛鼠符堰墑勿怒戊簾鋁忽良眼板焙襲丈仿朋攻疥雄旬謙璃克轉(zhuǎn)杭幽閉宅擅授元漲褐過程控制仿真軟件的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)matlab是國際控制領(lǐng)域內(nèi)最流行的仿真軟件，simulink是matlab提供的一個(gè)用來對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的仿軟件包，它包含多個(gè)子模型庫，每個(gè)子模型庫中又包含多個(gè)功能模塊。仿真時(shí)可選擇仿各種數(shù)值算法、仿真