復(fù)雜過程控制系統(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 目 錄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 串級(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 串級(jí)53.2 前饋53.3 解耦74. 課設(shè)小結(jié)及進(jìn)一步思想14參考文獻(xiàn)14附錄 設(shè)備清單15復(fù)雜過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Simulink仿真 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)雜過程控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此來深化對(duì)復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的理解，體會(huì)復(fù)雜過程控制系統(tǒng)在工業(yè)生

2、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)過程自動(dòng)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(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(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(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)間變化的過程。通過對(duì)過程仿真的分析，得到被仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。過程控制系統(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)、控制、優(yōu)化和決策提供了依

4、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)模的越來越大，先進(jìn)過程控制的出現(xiàn)，就需要行的功能強(qiáng)大的仿真平臺(tái)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(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，使過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整定發(fā)生了革命性的變

5、化。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)串級(jí)、前饋、解耦三個(gè)復(fù)雜過程控制系統(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)過程進(jìn)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(jìn)行系統(tǒng)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立Simulink模型參數(shù)整定、仿真分析圖1 課程設(shè)計(jì)整體方案設(shè)計(jì)2. 三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理2.1 串級(jí)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)具有多個(gè)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，前一個(gè)控制器的輸

6、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)被稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)的基本組成如圖2所示：主對(duì)象副控制器副對(duì)象控制閥主控制器 副測(cè)量主測(cè)量圖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)變量為中間變量，稱為副被控量，也稱副參數(shù)，相對(duì)于把稱為主被控量，也稱主參數(shù)。以為分界，把整個(gè)受控過程分成兩個(gè)組成部分，以為輸出的部分稱為副對(duì)象，而以為輸入的部分稱為主對(duì)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(gè)控制回路稱為內(nèi)環(huán)和外環(huán)。通常把

7、作用在主對(duì)象上的擾動(dòng)稱為一次擾動(dòng)，作用在副回路上的擾動(dòng)稱為二次擾動(dòng)。2.2 前饋控制系統(tǒng)可測(cè)干擾 M前饋控制是針對(duì)擾動(dòng)量及其變化進(jìn)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(duì)系統(tǒng)的作用是通過干擾通道進(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，這里只說前饋補(bǔ)

8、償解耦設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn)了過程解耦，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：-回路1+ 圖4 前饋補(bǔ)償法解耦框圖回路2+-+ 3. 建立Simulink模型3.1 串級(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)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(jí)控制時(shí)系統(tǒng)的Simulink模型在圖5中，q1為一次擾動(dòng)，取階躍信號(hào)；q2為二次擾

9、動(dòng)，取階躍信號(hào)；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(duì)象；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(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：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(cè)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(dòng)態(tài)前饋 補(bǔ)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(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：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(shí)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(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

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(bǔ)償解耦法對(duì)噶系統(tǒng)進(jìn)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(duì)應(yīng)輸出y1、y2。經(jīng)辨識(shí)，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(duì)增益矩陣為：(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(duì)增益矩陣為：(8)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?，則容易形成正反饋，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：(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(bǔ)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?cè)隈詈系腟imulink仿真框圖 (b) 系統(tǒng)耦

13、合Simulink仿真框圖 (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(shí)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(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(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(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)一步管擦解耦情況，仿真時(shí)按整體進(jìn)行如圖13所示：(a) PI模塊的結(jié)構(gòu)(b) 解耦時(shí)系統(tǒng)的Simulink仿真框圖(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 干擾均為幅度為的隨機(jī)擾動(dòng)。4. 課設(shè)小結(jié)及

15、進(jìn)一步思想通過這次緊張的課程設(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)雜過程控制和Matlab中仿真工具Simulink相關(guān)知識(shí)的理解，鞏固了原有知識(shí)的同時(shí)又學(xué)到了一些新鮮的知識(shí)。很感謝老師的耐心教導(dǎo)，她的認(rèn)真負(fù)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(shí)是多方面的，要想學(xué)好任何一門知識(shí)都要付出很多努力，堅(jiān)持不懈；同時(shí)，想要做好一件事就要身心投入，認(rèn)真去做。由于時(shí)間倉促，以及自身水平有限，這次的課設(shè)只對(duì)復(fù)雜過程控制中的串級(jí)、前饋、和解耦進(jìn)行了學(xué)習(xí)和Simulink建模，對(duì)于仿真需要的參數(shù)還沒有整定出來，因此也未能進(jìn)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(xiàn)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(jī)械工業(yè)出版社, 2000.53 劉文定.