復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真

1、銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）題目復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真班級(jí)學(xué)號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師0.前言11 .總體方案設(shè)計(jì)22 .三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理32.1 審級(jí)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 申級(jí)53.2 前饋53.3 解耦74 .課設(shè)小結(jié)及進(jìn)一步思想15參考文獻(xiàn)15附錄設(shè)備清單16銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真姬曉龍銀河航空航天大學(xué)自動(dòng)化分校摘要：本文主要針對(duì)串級(jí)、前饋、解耦三種復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此來(lái)深化對(duì)復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)的理解，

2、體會(huì)復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)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(guò)程中進(jìn)行系統(tǒng)分析和參數(shù)整定的方法，為畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)模型進(jìn)行仿真分析及過(guò)程參數(shù)整定做準(zhǔn)備。關(guān)鍵字：串級(jí)；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(guò)程自動(dòng)化中的大量的參數(shù)定制控制問(wèn)題，在大多數(shù)情況下這種簡(jiǎn)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(guò)程的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，對(duì)提高生產(chǎn)效率、降耗節(jié)能以及環(huán)境保護(hù)提出了更高的要求，這便使工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)操作條件要求更加嚴(yán)格、對(duì)工藝參數(shù)要求更加苛刻，從而對(duì)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

3、取其它措施，組成比單回路系統(tǒng)“復(fù)雜”一些的控制系統(tǒng)，如用級(jí)控制（雙閉環(huán)控制）、前饋控制大滯后系統(tǒng)控制（補(bǔ)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(gè)以上的回路構(gòu)成，相比單回路系統(tǒng)要多一個(gè)以上的測(cè)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(lèi)控制系統(tǒng)就稱為“復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)”，以區(qū)別于單回路系統(tǒng)這樣簡(jiǎn)單的過(guò)程控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)仿真是在計(jì)算機(jī)上建立仿真模型，模擬實(shí)際系統(tǒng)隨時(shí)間變化的過(guò)程。通過(guò)對(duì)過(guò)程仿真的分析，得到被仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。過(guò)程控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真，為流程工業(yè)控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、

4、控制、優(yōu)化和決策提供了依據(jù)。同時(shí)作為對(duì)先進(jìn)控制策略的一種檢驗(yàn)，仿真研究也是必不可少的步驟?？刂葡到y(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是一門(mén)涉及到控制理論、計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性學(xué)科。控制系統(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(shí)際控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究的一種方法。在進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真時(shí)，十分耗費(fèi)時(shí)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(lái)越大，先進(jìn)過(guò)程控制的出現(xiàn)，就需要行的功能強(qiáng)大的仿真平臺(tái)MathWorks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(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)整定的計(jì)算與仿真提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具，使過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

5、與整定發(fā)生了革命性的變化。銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真1 .總體方案設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)共分為三個(gè)部分，分別對(duì)申級(jí)、前饋、解耦三個(gè)復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(huà)出它們的原理框圖，分析這些系統(tǒng)的特點(diǎn)，包括其被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性、對(duì)擾動(dòng)的抗干擾能力等等，然后對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，建立SImulink模型，然后選擇合適的工業(yè)過(guò)程進(jìn)行參數(shù)整定及系統(tǒng)分析?？傮w方案如圖1所示：圖1課程設(shè)計(jì)整體方案設(shè)計(jì)銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真2 .三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理2.1 用級(jí)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)具有多個(gè)

6、控制器和一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這些控制器被一個(gè)一個(gè)地串聯(lián)起來(lái)，前一個(gè)控制器的輸出就是后一個(gè)控制器的設(shè)定值，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)由最后一個(gè)控制器控制，這種系統(tǒng)被稱為審級(jí)控制系統(tǒng)。用級(jí)控制系統(tǒng)的基本組成如圖2所示：圖2串級(jí)控制系統(tǒng)的基本組成為了提高系統(tǒng)性能，在以ci為被控量的被控對(duì)象中適當(dāng)選取另一個(gè)可測(cè)變量C2為中間變量，C2稱為副被控量，也稱副參數(shù)，相對(duì)于C2把C1稱為主被控量，也稱主參數(shù)。以C2為分界，把整個(gè)受控過(guò)程分成兩個(gè)組成部分，以C2為輸出的部分稱為副對(duì)象，而以C2為輸入的部分稱為主對(duì)象。主被控量和副被控量通過(guò)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

7、直接控制控制閥，這q1稱為一次擾動(dòng)，作用在副兩個(gè)控制回路稱為內(nèi)環(huán)和外環(huán)。通常把作用在主對(duì)象上的擾動(dòng)回路上的擾動(dòng)q2稱為二次擾動(dòng)。3:輸出Y2.2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制是針對(duì)擾動(dòng)量及其變化進(jìn)行控制的。具原理圖如圖可測(cè)干擾在前饋控制中，Gf(s)G3(s)為干擾源至系統(tǒng)輸出的干擾通道傳遞函數(shù)；Gd(s)為前饋調(diào)節(jié)器函數(shù)；G2(s)G3(s)為干擾源至系統(tǒng)輸出的控制通道傳遞函數(shù)；Gi(s)為給定環(huán)節(jié)傳銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真遞函數(shù)。系統(tǒng)輸出為:Y=XG1(s)G2(s)G3(s)+M(Gd(s)G2(s)+Gf(s)G3(s)干擾對(duì)系統(tǒng)的作用是通過(guò)干擾通

8、道進(jìn)行的，前饋的控制原理是給系統(tǒng)附加一個(gè)前饋通道，使所測(cè)量的系統(tǒng)擾動(dòng)通過(guò)前饋控制器改變控制量。利用擾動(dòng)所附加的控制量與擾動(dòng)對(duì)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(shuō)前饋補(bǔ)償解耦設(shè)計(jì)。過(guò)程可以表示為yi(s)Wii(s)Ui(s)Wi2(s)u2(s)y2(s)W2i(s)Ui(s)W22(s)U2(s)若令yi(s)Wi(s)ui(s)皿2(s)U2(s)Wff(s)Wii(s)u2而又滿足W2(s)WFF(s)W11(s)0則有yi(s)Wii(s)ui(s)而同理令Wff2(S)WFF1(s)W(S)Wi(s)W2i(S)W22(s)(1)(2)

9、可得y2(s)W21(s)u1(s)WFF1(s)W22(s)u1(s)W22(s)u2(s)y2(s)W22(s)u2(s)這樣就實(shí)現(xiàn)了過(guò)程解耦，式(1)和式(2)為補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)，它和串聯(lián)補(bǔ)償不同，采用的是前饋補(bǔ)償?shù)牟蛔冃栽?。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示：同4前饋補(bǔ)償法廨耦穆圖銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真3.建立Simulink模型3.1申級(jí)以隧道窯系統(tǒng)對(duì)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(jí)控制系統(tǒng)中主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)Go1和Go2分別為：Goi(s)1(30s1)(3s1)；Go2(s)1(10s1)(s

10、1)2主、副控制器的傳遞函數(shù)Gc1和Gc2為:-1-Gc1Kc1(1)；Gc2(s)Kc2T1s建立系統(tǒng)的Simulink模型如圖5所示:在圖5中，q1為一次擾動(dòng)，取階躍信號(hào)；q2為二次擾動(dòng)，取階躍信號(hào)；PIDC1為主控制器，采用PID控制；PIDC2為副控制器，采用PID控制；Go2為副對(duì)象；Go1為主對(duì)象；r為系統(tǒng)輸入，取階躍信號(hào)；c為系統(tǒng)輸出，它連接到示波器上，可以方便的觀測(cè)輸出。3.2 前饋這里進(jìn)行前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)仿真。前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)仿真主要包括：系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)整定和系統(tǒng)仿真等內(nèi)容。假設(shè)被控對(duì)象的干擾通道傳遞函數(shù)為：銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與S

11、imulink仿真系統(tǒng)被控部分傳遞函數(shù)為:G(s)G(s)15(8s1)(10s1)10seG(s)G(s)(5s1)(10s8s一e1)給定部分傳遞函數(shù)為:Gc(s)1采用前饋、反饋分別整定的方法，前饋整定參數(shù)為統(tǒng)采用PID控制，則系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示：2.5,Td15,Td28。若系可測(cè)干擾圖6前饋一反饋復(fù)合控制系統(tǒng)方框圖Kd系統(tǒng)穩(wěn)定性分析是實(shí)驗(yàn)調(diào)試中正確把握試驗(yàn)方法、試驗(yàn)參數(shù)的基本依據(jù)。對(duì)圖5所示系統(tǒng)反饋環(huán)節(jié)開(kāi)環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)行分析（不含PID調(diào)節(jié)器部分），為分析方便取:3se5se13se15se113s115s不含PID調(diào)節(jié)器的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可近似寫(xiě)成:-2(3s1)(5s1)(10s1)

12、可見(jiàn)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真圖7開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)Simulink框圖其中階躍輸入控制量u1,因此得:Kp0.9uTyL0.29KpKIP0.0093L利用各整定參數(shù)及系統(tǒng)模型辨識(shí)結(jié)果構(gòu)建系統(tǒng)前饋一反饋復(fù)合控制Simulink框圖如示:圖8系統(tǒng)前饋一反饋復(fù)合控制Simulink框圖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(duì)象，可控制輸入量為燃料流量銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真和助燃空氣流量，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(duì)喝系統(tǒng)進(jìn)行仿真。此為雙輸入雙輸出系統(tǒng)，初

13、步選擇輸入x1、x2分別對(duì)應(yīng)輸出y1、y20經(jīng)辨識(shí)，得系統(tǒng)輸入、輸出的傳遞關(guān)系為：10.5Y(S)3s12s1Xi(s)Y2(S)50.1X2(s)12s19s1由式（3）的系統(tǒng)靜態(tài)放大系數(shù)矩陣為:kiiki210.5k2ik2250.1即系統(tǒng)的第一放大系數(shù)矩陣為：pP11Pi2knk1210.5P21P22k2ik2250.1系統(tǒng)的相對(duì)增益矩陣為：0.041.041.041.04(4)(6)由相對(duì)增益矩陣可以看出，控制系統(tǒng)輸入、輸出的配對(duì)選擇是錯(cuò)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(duì)應(yīng)輸出yi、y2,輸入、輸出之間的傳遞關(guān)系為：Y1(s)Y2(s)0.

14、512s13s1Xi(s)0.15X2(s)9s112s1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:銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真圖9重新匹配后的系統(tǒng)耦合關(guān)系可求得相對(duì)增益矩陣為：(8)1.040.040.041.04由式(8)知，輸入x1、x2分別對(duì)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(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨特性，只考慮穩(wěn)態(tài)特性，則系統(tǒng)的兩個(gè)通道耦合很弱不需要解耦。但如果考慮動(dòng)態(tài)情況，由于系統(tǒng)純?cè)隈詈希瑒t容易形成正反饋，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行耦合分析。本次選擇前饋方式實(shí)現(xiàn)解耦，前饋解耦控制器分別為：Gp4)4s23s1(9)Gp21(

15、s)12s150(9s1)(10)銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真采用前饋解耦后，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖10所示:被控耦合系統(tǒng)前饋補(bǔ)償輸出Yi(s)輸出Y2（s）圖10采用前饋耦合后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解耦前后系階躍仿真框圖如統(tǒng)的Simulink圖11所示：第10頁(yè)銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真(a)系統(tǒng)的真框圖不純?cè)隈詈蟂imulink仿3s.*1TrarrsfeirFen2Step1TransferF(n3(b)系統(tǒng)耦合Simulink仿真框圖第11頁(yè)圖11(a)為系統(tǒng)無(wú)耦合的Simulink階躍仿真框圖；圖11(b)為系統(tǒng)耦合時(shí)

16、Simulink階0PID應(yīng)銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真(c)利用前饋補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)耦合的Simulink仿真框圖圖11系統(tǒng)解耦狀態(tài)對(duì)比Simulink仿真框圖躍仿真框圖；圖11(c)為系統(tǒng)采用前饋耦合后的Simulink階躍仿真框圖通過(guò)前饋補(bǔ)償解耦，原系統(tǒng)已可看成兩個(gè)獨(dú)立的單輸入單輸出系統(tǒng)?？紤]到用的廣泛性和系統(tǒng)無(wú)靜差要求，控制器采用PI形式。PI參數(shù)整定通過(guò)解耦的兩個(gè)單輸入單輸出系統(tǒng)進(jìn)行。其Simulink框圖分別如圖12所示。整定米用試誤法。(a) x1y1通道PI整定Simulink框圖第12頁(yè)銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與S

17、imulink仿真(b) x2y2通道PI整定Simulink框圖圖12系統(tǒng)解耦后各通道獨(dú)立整定Simulink框圖實(shí)現(xiàn)完全解耦的系統(tǒng)可以分別用兩個(gè)單輸入單輸出系統(tǒng)仿真。但為了從整體角度進(jìn)步管擦解耦情況，仿真時(shí)按整體進(jìn)行如圖13所示：(a)PI模塊的結(jié)構(gòu)第13頁(yè)銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真a二7Tnniftr-cr1TrarEf&rFcilPI12s+T4s+5TraHsf#rFenlFrar=terI-cn3125+1TrarEfErFgn5mnrl凸eHunrgHOoritiiHt34*1(b)解耦時(shí)系統(tǒng)的Simulink仿真框圖Cotfu

18、fSPIS1ECorstariElPI4129*1Trai'jftifur5NondigEHiu.TiiLefllrfflnitfrrFer3Js*iTrgn.sfcj；Fqt，HardamNu'rnher(c)不解耦時(shí)系統(tǒng)的Simulink仿真框圖圖13系統(tǒng)解耦與不解耦時(shí)，系統(tǒng)的Simulink仿真框圖為了對(duì)比解耦和不解耦兩種情況，圖13(b)為解耦時(shí)系統(tǒng)的Simulink仿真框圖，圖13(c)為不解耦時(shí)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1的隨機(jī)擾動(dòng)。第14頁(yè)銀河航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真4.課設(shè)小結(jié)及進(jìn)一步思想通過(guò)這次緊張的課程設(shè)計(jì)，我收獲頗多，每天面對(duì)著電腦，翻閱各種相關(guān)資料，體會(huì)頗深。對(duì)于復(fù)雜過(guò)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(duì)復(fù)雜過(guò)程控制和Ma