過程控制工程概論實驗指導(dǎo)書(學(xué)生版)

1、過程控制工程概論課程實驗指導(dǎo)書電子電氣工程學(xué)院自動化系2012.2第一章前言 3第二章過程控制工程概論實驗1 解耦控制系統(tǒng)仿真實驗42 純滯后補償控制系統(tǒng)仿真實驗 . .73 預(yù)測控制系統(tǒng)仿真實驗11第一章 前 言本實驗課程是和學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)選修課程過程控制工程概論相配合的實踐課程。過程控制工程是控制理論、生產(chǎn)工藝、計算機技術(shù)和儀器儀表等知識相結(jié)合的一門綜合性使用學(xué)科，過程控制系統(tǒng)仿真是架起理論和實踐之間的重要橋梁，是掌握過程系統(tǒng)分析和設(shè)計精髓的重要手段。對先進控制系統(tǒng)進行仿真，其不僅可以使學(xué)生加強課程的學(xué)習(xí)效果，而且還可為學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計中提供一個強有力的工具，有效加強教學(xué)中的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，提

2、高學(xué)生的獨立工作能力和創(chuàng)造性思維能力。開設(shè)本課程的目的，主要是培養(yǎng)學(xué)生運用MATLAB語言進行過程控制系統(tǒng)設(shè)計和分析的能力，為今后從事科研工作和和專業(yè)有關(guān)的工程技術(shù)工作打好基礎(chǔ)。一、上機實驗要求1、要求學(xué)生熟悉MATLAB中的控制系統(tǒng)工具箱、預(yù)測控制工具箱和 和SIMULINK 軟件包。2、能根據(jù)有關(guān)控制算法，編寫有關(guān)的MATLAB程序。3、能對實驗結(jié)果進行分析和討論，得到相關(guān)的實驗結(jié)論。二、上機實驗的基本程序：1、明確實驗任務(wù)。2、提出實驗方案。3、利用SIMULINK工具建立系統(tǒng)的仿真本g型，編制有關(guān)的MATLAB程序。4、進行實驗操作，作好觀測和記錄，保存有關(guān)的實驗數(shù)據(jù)。5、整理實驗數(shù)據(jù)

3、，得出結(jié)論，撰寫實驗報告。在進行上機實驗時， 上述程序應(yīng)讓學(xué)生獨立完成， 教師給予必要的指導(dǎo)， 以 培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。要做好各個上機實驗，就應(yīng)做到：實驗前做準備，實驗中有條理，實驗后勤分析實驗一解耦控制系統(tǒng)仿真實驗一、實驗?zāi)康牧私饨怦羁刂葡到y(tǒng)的特點和設(shè)計方法，掌握前饋補償解耦控制系統(tǒng)、反饋補 償解耦控制系統(tǒng)和對角陣解耦控制系統(tǒng)的仿真方法，對采取解耦措施后系統(tǒng)的性 能進行分析。二、實驗方法在MATLA叫境下，進彳TSIMULINK仿真，分別建立前饋補償解耦控制系統(tǒng)、 反饋補償解耦控制系統(tǒng)和對角陣解耦控制系統(tǒng)的仿真框圖，分析解耦調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置和簡化方法。對所設(shè)計的解耦控制系統(tǒng)進行動態(tài)特性分析，

4、并研究系統(tǒng)的 魯棒性。三、實驗設(shè)備1. 586以上微機，16M以上內(nèi)存，400MM盤空間，2X CD-ROM2. MATLAB及以上版本，含 CONTROL SYSTEM TOOL BOX 四、實驗內(nèi)容已知某化學(xué)反應(yīng)過程，通過控制反應(yīng)過程的溫度和反應(yīng)釜內(nèi)壓力變化控制反應(yīng)過程。可控制輸入X1(s)、X2(s)分別為兩物料流量，系統(tǒng)輸出Y(s)、Y2(s)分別為反應(yīng)過程溫度和反應(yīng)釜內(nèi)壓力。系統(tǒng)輸入輸出之間的傳遞關(guān)系為:3X=2.8s+1'2（s）二1 4s+1-1.52.8s + 1 /1 兀4.5s 1分別利用前饋補償解耦方法、反饋補償解耦方法和對角陣解耦方法對該控制 系統(tǒng)進行控制仿真。

5、五、實驗方法1 .前饋補償解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計方法前饋補償是自動控制中最早出現(xiàn)的一種克服干擾的方法，同樣適用于解耦系統(tǒng)。下圖所示為使用前饋補償器來解除系統(tǒng)問耦合的方法。圖1前饋補償解耦控制系統(tǒng)方框圖解耦補彳§裝置Gp2i(s)和Gpi2(s)可根據(jù)前饋補償原理求得Gp21=G'(s) 飛22(可Gpi2=Gi2(s)-Gn(s)2 .反饋補償解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計方法反饋補償解耦控制系統(tǒng)是多變量解耦控制非常有效的方法。該方法的解耦器 布置在反饋通道上。下圖所示為使用反饋補償器來解除系統(tǒng)問耦合的方法。輸入X輸入X*)系統(tǒng)控制器反饋補份r* Gms)4ttiiiYr* Gi市) GiM

6、輸出YXs)圖2反饋補償解耦控制系統(tǒng)方框圖解耦補彳§裝置Gp2i(s)和Gpi2(s)可根據(jù)反饋補償原理求得Gp2i(s)Gpi2(s)G2i(s)Gc22(S)Gii(S)G22(S)-G2(S)G2i(S)Gi2(s)Gcii(s)Gii(s)G22(s)Gi2(s)G2i(s)3 .對角陣解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計方法對角矩陣解耦方法是一種常見的解耦控制方法，尤其對復(fù)雜系統(tǒng)使用非常廣 泛。其目的是通過在控制系統(tǒng)附加一矩陣， 使該矩陣和對象特征矩陣乘積所構(gòu)成 的廣義對象矩陣成為對角矩陣，從而實現(xiàn)系統(tǒng)解耦。下圖所示為對角陣解耦控制 系統(tǒng)的方框圖。輸入Xi(s)輸入X?土系統(tǒng)控制器補吵制器被

7、控耨氣系統(tǒng)Ge GPi1(s)Gn(s)4 Gpi2(s)刊 Gn(s)+ Gp3l(s)- GXs)GciXs)A Gp22(s)A GHs)編出Y的輸出Yi(s)圖3對角陣解耦控制系統(tǒng)方框圖 根據(jù)解耦要求可求得，解耦補償矩陣-Gi2（S）G22（S）Gii（S）G22（S）；GpnGg2=1-Gii(s)G22(s)|Gp2iGp22Gl(S)G22(S)Gi2(S)G2i(S)Gii(S)G,(S)六、實驗步驟1 .分別進行前饋解耦調(diào)節(jié)器、反饋補償調(diào)節(jié)器和對角陣解耦調(diào)節(jié)器的設(shè)計。2 .在MATLAM境下，分別建立前饋補償解耦控制系統(tǒng)、反饋補償解耦控制 系統(tǒng)和對角陣解耦控制系統(tǒng)的仿真框圖。

8、3 .施加階躍輸出，研究反應(yīng)過程溫度的變化情況。4 .施加階躍輸出，研究反應(yīng)釜內(nèi)壓力的變化情況。5 .分析控制系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和魯棒性。七、問題和討論1、解耦控制系統(tǒng)的作用是什么？使用在什么場合？2、解耦控制系統(tǒng)有哪些典型的解耦方案，各方案有何特點？3、談?wù)剬嶒烍w會。實驗二純滯后補償控制系統(tǒng)仿真實驗一、實驗?zāi)康牧私饧儨笱a償控制系統(tǒng)的特點和設(shè)計方法，掌握史密斯預(yù)估補償控制系統(tǒng) 和改進型史密斯預(yù)估補償控制系統(tǒng)的仿真方法，對純滯后補償控制系統(tǒng)的性能進 行分析。二、實驗方法在MATLAB環(huán)境下，進行SIMULINK仿真，分別建立史密斯預(yù)估補償控制系 統(tǒng)、增益自適應(yīng)史密斯預(yù)估補償控制系統(tǒng)和雙控

9、制器補償控制系統(tǒng)的仿真框圖， 分析控制器的參數(shù)設(shè)置方法。對所設(shè)計的純滯后補償控制系統(tǒng)進行動態(tài)特性分 析，并研究系統(tǒng)的魯棒性。三、實驗設(shè)備1. 586以上微機，16M以上內(nèi)存，400MM盤空間，2X CD-ROM2. MATLAB及以上版本，含 CONTROL SYSTEM TOOL BOX四、實驗內(nèi)容在估計器無差估計過程模型的理想情況下，分別采用史密斯預(yù)估補償控制、 增益自適應(yīng)補償控制和雙控制器補償控制對某一化學(xué)反應(yīng)過程進行仿真。其中， 輸入X(s)為原料量，輸出Y(s)為反應(yīng)所生成的產(chǎn)品質(zhì)量。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下:Gp(s)e-sY(s)e6sX(s)五、實驗方法1 .史密斯預(yù)估補償控制系統(tǒng)的

10、設(shè)計史密斯預(yù)估補償控制方案針對純滯后系統(tǒng)中閉環(huán)特征方程含有純滯后項的特點，在PID反饋的基礎(chǔ)上，引入一個預(yù)估補償環(huán)節(jié)，從而使閉環(huán)特征方程方程 不含純滯后項，提高了控制質(zhì)量。設(shè)Gk(s)是史密斯引入的預(yù)估補償器傳遞函數(shù) 為使閉環(huán)特征方程不含純滯后 工，要求Gk(s)=Gp(s)(1-ef)。則史密斯預(yù)估補償控制系統(tǒng)的Simulink仿真框圖如下所示:Uniform RandomNumbefbeing controlled圖6史密斯預(yù)估補償控制系統(tǒng)Simulink仿真框匿2 .增益自適應(yīng)補償控制系統(tǒng)的設(shè)計雖然理論上證明了史密斯預(yù)估補償控制的良好效果，但在工程使用上仍存在一定的局限性。很多研究者為此

11、提出了不同的改進方案。增益自適應(yīng)補償控制 是在史密斯補償控制基礎(chǔ)上增加了一個除法器、一個一階微分環(huán)節(jié)和一個乘法 器。利用這三個環(huán)節(jié)根據(jù)模型和過程輸出信號之間的比值提供一個自動校正預(yù) 估器增益的信號。增益自適應(yīng)補償控制系統(tǒng)的仿真框圖如下所示。圖8增益自適應(yīng)補償控制系統(tǒng)仿真框圖3 .雙控制器補償控制系統(tǒng)的設(shè)計雙控制器系統(tǒng)一方面可分離閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)定值響應(yīng)和擾動響應(yīng)，從而同時獲得良好的設(shè)定值跟蹤性能和抗干擾能力；另一方面對模型誤差不敏感，從而具 有良好的魯棒性。雙控制器的仿真框圖為：圖10雙控制器補償控制系統(tǒng)仿真框圖六、實驗步驟1 .分別進行史密斯預(yù)估補償控制系統(tǒng)、增益自適應(yīng)補償控制系統(tǒng)和雙控制 器補

12、償控制系統(tǒng)的設(shè)計。2 .在MATLAM境下，分別建立史密斯預(yù)估補償控制系統(tǒng)、 增益自適應(yīng)補償 控制系統(tǒng)和雙控制器補償控制系統(tǒng)的仿真框圖。3 .施加階躍輸出，研究系統(tǒng)輸出的變化情況。4 .分析控制系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和魯棒性。七、問題和討論5 、滯后控制系統(tǒng)的作用是什么？使用在什么場合？6 、滯后控制系統(tǒng)可分為什么類型，各有什么特點？7 、談?wù)剬嶒烍w會。實驗三預(yù)測控制系統(tǒng)仿真實驗一、實驗?zāi)康膶W(xué)會在MATLA界境下根據(jù)預(yù)測控制的原理圖，建立預(yù)測控制系統(tǒng)的仿真模型；掌握預(yù)測控制器參數(shù)設(shè)計的方法，編寫MATLAB?序來設(shè)置預(yù)測控制器的參數(shù)，并對預(yù)測控制系統(tǒng)的性能進行分析。二、實驗方法在MATLAB

13、環(huán)境下，進行SIMULINK仿真，建立預(yù)測控制系統(tǒng)的仿真框圖， 對控制器的參數(shù)進行設(shè)計。對所設(shè)計的預(yù)測系統(tǒng)進行動態(tài)特性分析，并研究系統(tǒng) 的魯棒性。三、實驗設(shè)備1. 586以上微機，16M以上內(nèi)存，400MM盤空間，2X CD-ROM2. MATLAB5.3U:含 CONTROL SYSTEM TOOL BOX四、實驗內(nèi)容雙容水箱是工業(yè)過程控制中常見的液位被控對象，如下圖所示。系統(tǒng)的輸入為閥門開度變化量Au,輸出為下箱液位的變化量 Ah2,已知輸入和輸出的傳遞關(guān)系為：Y(s) =1e,0s ,要求為該對象設(shè)計一個 DM的制器，在MATLABU (s)(80s 1)(80s 1)環(huán)境下進行仿真，研

14、究所設(shè)計的預(yù)測控制系統(tǒng)的性能。打+/|用+ AA；/|。加+8%圖11雙容水箱示意圖 五、實驗方法DM*法是一種基于對象階躍響應(yīng)的預(yù)測控制算法，它適用于漸進穩(wěn)定的線 性裝置。DMCT法包括預(yù)測模型、在線反饋校正、滾動優(yōu)化等幾部分。動態(tài)矩陣 算法控制結(jié)構(gòu)圖如下所示。'懾！II兩則i 校正II圖12動態(tài)矩陣算法控制結(jié)構(gòu)圖根據(jù)此結(jié)構(gòu)圖可建立如下圖所示的 Simulink仿真框圖，其中動態(tài)矩陣A、 控制向量dT、誤差校正向量Hi、移位陣S等參數(shù)根據(jù)DMCJ法原理編制MATLAB 程序求出。程序的步驟如下：(1)檢測對象的階躍響應(yīng)，并經(jīng)光滑后得到模型系數(shù)ai,a2,IH,aN ,然后求出動態(tài)矩陣

15、A;(2)根據(jù)以下公式計算控制系數(shù)did2 111dp =1 0川 0 (ATQA R)AtQ(3)選擇校正系數(shù)hi,h2|,hN,設(shè)置移位陣S； 取yno( k)中前p個元素算出ypo(k)；(5)設(shè)定參考軌跡 Wo(6)啟動DM保統(tǒng)的Simulink仿真模型，進行仿真。圖13 DMC系統(tǒng)Simulink仿真框圖六、實驗步驟1 .進行動態(tài)矩陣控制器（DMC的參數(shù)設(shè)計,編寫相關(guān) MATLA抑序，求出 DMC空制器的參數(shù)。2 .在MATLAM境下，建立預(yù)測控制系統(tǒng)的仿真框圖。3 .施加階躍輸出，研究系統(tǒng)輸出的變化情況。4 .分析控制系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和魯棒性。七、問題和討論1、預(yù)測控制的基

16、本原理是什么？2、DM*法包括哪幾部分？有什么優(yōu)點？3、談?wù)剬嶒烍w會。%dmcfuzhi.mclear sys=tf(1,conv(80 1,80 1), 'OutputDelay' ,10 ); tt=0:10:490;%獲得對象階躍響應(yīng)的采樣值y=step(sys,tt);Ts=10; %采樣周期N=length(y)-1 a=y(2:length(y),1);P=9M=1for j=1:Mfor i=j:PA(i,j)=a(i+1-j);%獲得階躍響應(yīng)模型a%指定優(yōu)化時域%指定控制時域endend個元素yi(k 1| k)AQ=eye(P);Q(1,1)=0；R=0*ey

17、e(M) c=zeros(M,1);c(1)=1；dtao=c'*inv(A'*Q*A+R)*A'*Qctao=zeros(1,N);ctao(1)=1alfa=1;磁：=1 h1(1)=1;h1(2:N,1)=alfa;%求動態(tài)矩陣A%控制權(quán)矩陣參數(shù)設(shè)定%約束權(quán)矩陣參數(shù)設(shè)定%計算控制向量dT%cT用于求向量yni（k）的第%誤差校正向量取 H1% 設(shè)置移位陣S%取y no（ k）中前p個元素算出ypo（ k）S1=eye(N-1);S1=zeros(N-1,1) S1;S1(N,N)=1;S=S1;PN=eye(P) zeros(P,N-P);W=ones(P,1);%dmcjieguo.m