第四章MATLAB與過程控制系統(tǒng)仿真

第一節(jié)過程控制的基本概念一、過程控制的發(fā)展狀況：第一階段:(20世紀50年代以前)對系統(tǒng)進行分析的基本方法為根軌跡法和頻率法。第二階段:(20世紀60年代后)自動控制的工具產(chǎn)生了直接數(shù)字控制DDC和監(jiān)督計算機控制SCC。第三階段:(20世紀70年代以后)產(chǎn)生了集散控制系統(tǒng)DCS。20世紀80年代以后，自動化的實現(xiàn)工具由DCS系統(tǒng)發(fā)展到了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS。第四章MATLAB與過程控制系統(tǒng)仿真

鍋爐水位控制原理圖1—鍋筒2—省煤器3—過熱器4—給水閥門5—蒸汽閥門二、過程控制的組成要實現(xiàn)水位控制需要以下裝置:1.測量水位變化的傳感器或變送器2.能將水位測量值和水位設定值進行比較并進行控制運算的控制器3.設定水位的定值器(可能包括在控制器內(nèi))4.執(zhí)行控制命令的執(zhí)行器5.調(diào)節(jié)給水量的控制閥這些裝置和被控對象鍋爐本身組成了一個控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)原理框圖三、生產(chǎn)對過程控制的要求和指標1、生產(chǎn)對過程控制的要求1.安全性2.經(jīng)濟性3.穩(wěn)定性2、過程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(1)衰減比(2)動態(tài)偏差(3)調(diào)整時間Tc(4)靜態(tài)偏差第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)一、單回路控制系統(tǒng)的組成單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，它是只有一個檢測元件或變送器、一個控制器、一個執(zhí)行器連同被控制對象對一個被控參數(shù)進行控制的反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)1—液位變送器2—液位控制器3—執(zhí)行器單回路液位控制系統(tǒng)二、控制器的選擇1、比例控制器的選擇2、比例、積分控制器的選擇3、比例、積分、微分控制器的選擇三、控制器的正反作用選擇控制器有正作用和反作用兩種，當被控過程的輸入量增加（或減?。r，其輸出量（被控參數(shù)）也增加（或減少），這就稱被控過程為正作用，反之則稱為反作用。控制器的正反作用的選擇應該在根據(jù)工藝要求對控制閥、氣關(guān)作用確定之后再行確定。五、控制器的參數(shù)整定1、過渡過程參數(shù)整定2、經(jīng)驗法3、穩(wěn)定邊界法4、衰減曲線法5、響應曲線法6、衰減頻率特性法第三節(jié)復雜控制系統(tǒng)仿真一、串級控制系統(tǒng)仿真串級控制系統(tǒng)框圖計算順序：先主回路（PID1），后副回路（PID2）。控制方式：異步采樣控制—主回路的采樣周期T1是副回路采樣周期T2的整數(shù)倍。同步采樣控制—主、副回路采樣周期相同。這時，應根據(jù)副回路選擇采樣周期，因為副回路的受控對象的響應速度較快。串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點：1．由兩個或兩個以上的控制器串聯(lián)而成，一個控制器的輸c出是另一個控制器的設定。2．由兩個或兩個以上的控制器、相應數(shù)量的檢測變送器和一個執(zhí)行器組成。3．主回路是恒值控制系統(tǒng)，對主控制器的輸出而言，副回路是隨動系統(tǒng)。串級控制的主要優(yōu)點可概括如下：1．將干擾加到副回路中，由副回路控制對其進行抑制；2．副回路中參數(shù)的變化，由副回路給予控制，對被控量G1的影響大為減弱；3．副回路的慣性由副回路給予調(diào)節(jié)，因此提高了整個系統(tǒng)的響應速度；例1

設副對象特性為，主對象特性為，，采樣時間為2s，外加干擾信號為sin(50t)。

主調(diào)節(jié)器采用PI控制，，副調(diào)節(jié)器采用P控制，

，外加干擾信號為sin(50t)。

串級控制的階躍響應常規(guī)PID控制的階躍響應二、比值控制系統(tǒng)仿真在過程控制中，把用于實現(xiàn)兩種（或多種）物料按一定比例關(guān)系進行關(guān)聯(lián)控制的系統(tǒng)，稱為比值控制系統(tǒng)。主物料，也稱為主動量:

在要保持一定比例關(guān)系的物料中，把起主導作用的物料。從物料，也稱為從動量:

另一種隨主物料的變化而成比例地變化的物料。2.1.1比值控制系統(tǒng)特點2.1比值控制系統(tǒng)基礎知識2.1.2比值控制系統(tǒng)的類型根據(jù)生產(chǎn)過程中工藝容許的負荷、干擾、產(chǎn)品質(zhì)量等要求不同，實際采用的比值控制方案也不同。比值控制系統(tǒng)分為：1.開環(huán)比值控制系統(tǒng)；

2.單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)；

3.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)等；1．開環(huán)比值控制系統(tǒng)1）當系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，兩物料的流量滿足比值關(guān)系。2）當主動量受到干擾而發(fā)生變化時，系統(tǒng)通過比值器及設定值按比例去改變控制閥的開度，調(diào)節(jié)從動量使之與主動量仍保持原有的比例關(guān)系。3）當從動量受到外界干擾（如溫度、壓力擾動）波動時，由于是開環(huán)控制，沒有調(diào)節(jié)從動量自身波動的環(huán)節(jié)，也沒有調(diào)整主動量的環(huán)節(jié)，故兩種物料的比值關(guān)系很難保持不變，系統(tǒng)對此無能為力。開環(huán)比值控制是理解比例控制工作機理的基礎，在實際工程上很少應用。

2．單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)是在開環(huán)比值控制系統(tǒng)上增加對副物料的閉環(huán)控制回路，用以實現(xiàn)主、副物料的比值保持不變。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的四種工作情況：（1）當在系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，主、副物料流量的比值恒定。（2）當主物料流量不變，副物料流量受到擾動變化時，可通過副流量的閉合回路調(diào)整副物料流量使之恢復到原設定值，保證主、副物料流量比值一定。（3）當主物料流量受到擾動變化，而副物料不變時，則按預先設置好的比值使比值器輸出成比例變化，即改變給定值，根據(jù)給定值的變化，發(fā)出控制命令，以改變調(diào)節(jié)閥的開度，使副流量跟隨主流量而變化，從而保證原設定的比值不變。（4）當主、副物料流量同時受到擾動變化時，調(diào)節(jié)器在調(diào)整副物料流量使之維持原設定值的同時，系統(tǒng)又根據(jù)主物料流量產(chǎn)生新的給定值，改變調(diào)節(jié)閥的開度，使主、副物料流量在新的流量數(shù)值的基礎上，保持原設定值的比值關(guān)系不變?？傊?單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雖然能保持主、副物料流量比值不變，但是無法控制主物料的流量不變，因此，對生產(chǎn)過程的生產(chǎn)能力沒有進行控制。該控制系統(tǒng)能保證主、副物料的流量比值不變，同時，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，因此在工業(yè)生產(chǎn)過程自動化中應用較廣。3．雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)在雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)工作時，若主動量受到干擾發(fā)生波動，則主動量回路對其進行定值控制，使主動量始終穩(wěn)定在給定值附近，同時從動量控制回路也會隨主動量的波動進行調(diào)整；當從動量受到擾動發(fā)生波動時，從動量控制回路對其進行定值控制，使從動量始終穩(wěn)定在定值附近，而主動控制回路不受從動量波動的影響。因此，因擾動而發(fā)生的主動量和從動量波動利用各自控制回路分別實現(xiàn)實際值與給定值吻合，從而保證主、副物料流量的比值恒定。當調(diào)節(jié)主動量給定值時，主動量控制回路調(diào)節(jié)主動量實際值和給定值吻合；同時，根據(jù)主動量與從動量的比值及新的主動量給定值，系統(tǒng)給出從動量控制回路的輸入值。通過從動控制回路的調(diào)節(jié)控制使從動量的實際值與該輸入值吻合，即從動控制量的實際值與主動量變動后的數(shù)值相對應，保持主動量和從動量的比值不變?？梢娭鲃恿靠刂苹芈肥且欢ㄖ悼刂葡到y(tǒng)，而從動量控制回路是一個隨動控制系統(tǒng)。和單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)相比，雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點如下：（1）控制系統(tǒng)更為穩(wěn)定對主動量的定值控制克服了干擾對主動量的影響，因此主動量變化平穩(wěn)，從動量也將平穩(wěn)，進而系統(tǒng)的總物料流量穩(wěn)定，更好地滿足了生產(chǎn)工藝要求。（2）系統(tǒng)更易于調(diào)節(jié)當需要改變主動量的設定值時，主動量控制回路通過調(diào)節(jié)控制使主動量的輸出值改變?yōu)樾略O定值，同時從動量也將隨主動量按給定比值變化。因此，當需要調(diào)整負荷時，只要改變主動量回路控制器的給定值，就可同步調(diào)整主動量和從動量，并保持主動量和從動量的比值不變。2.2比值控制系統(tǒng)的MATLAB仿真2.2.1單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點是在保持主動量和從動量比值關(guān)系的前提下，構(gòu)成從動量閉環(huán)回路，使從動量跟主動量變化。這樣控制系統(tǒng)只控制從動量的變化而對主動量的變化未加控制。因此，單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)適用于主動量變化不大的場合。對于跟隨主動量變化控制給定值的從動量隨動控制系統(tǒng)，期望系統(tǒng)響應快些，一般整定為非周期過程。選擇PI控制方式。

例2

假設系統(tǒng)從動量傳遞函數(shù)為設計該從動對象的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。單閉環(huán)比值控制過程相當于從動量隨主動量變化的隨機控制過程。假設主動量由一常值10加幅值為0.3的隨機擾動構(gòu)成，從動量受一個隨機干擾。主動量和從動量的比值假定為3。（Kp=0.3,Ki=0.02）為了利用Workspace中強大的繪圖功能，將多張圖繪制在一起，將輸出傳到Workspace。建立模型及simout設置運行后，在命令窗口輸入

plot(tout,simout,tout,simout1,tout,simout2)

再用輸出圖形中的菜單Insert-text增加圖釋。Simout模塊的設置：輸出曲線2.2.2雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)的特點是在保持比值控制的前提下，主動量和從動量兩個流量均構(gòu)成閉環(huán)回路，這樣克服了自身流量的干擾，使主、從流量都比較平穩(wěn)，并使得工藝總負荷比較穩(wěn)定。例3

某主動量和從動量控制系統(tǒng)的數(shù)學模型分別為：假定主動量給定值為5，主動量和從動量的比值為4，主動控制和從動控制系統(tǒng)均受隨機干擾。（主、從控制回路均選擇PI控制方式，Kp=0.82,Ki=0.05）。仿真模型：輸出曲線三、前饋控制系統(tǒng)仿真3.1前饋控制系統(tǒng)基礎知識反饋控制是基于被控量的偏差進行的，沒有偏差也就不存在反饋控制。當然，只要存在偏差，控制系統(tǒng)就不可能保持在理想控制要求上，而是在理想要求附近擺動。所以，反饋控制是接近理想要求，但永遠也無法保持理想要求的控制。當被控對象呈現(xiàn)大延遲（如含有較大的容積延遲或純延遲）或所受干擾較多，干擾頻率較高，要求系統(tǒng)快速反應實現(xiàn)控制目的時，反饋控制系統(tǒng)的控制效果往往不夠理想。與反饋控制相比，前饋控制很好的彌補了反饋控制的一些缺點。前饋控制是針對擾動量及其變化進行控制的。3.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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（或稱前饋控制器），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制量影響的疊加消除或減小干擾的影響。3.1.2系統(tǒng)特點前饋控制系統(tǒng)主要特點如下：（1）屬于開環(huán)控制只要系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)是穩(wěn)定的，則控制系統(tǒng)必然穩(wěn)定。但若系統(tǒng)中有一個環(huán)節(jié)不穩(wěn)定，或局部不穩(wěn)定，系統(tǒng)就不穩(wěn)定。另外，系統(tǒng)的控制精度取決于構(gòu)成控制系統(tǒng)的每一部分的精度，所以對系統(tǒng)各環(huán)節(jié)精度要求較高。（2）很強的補償局限性前饋控制實際是利用同一干擾源經(jīng)過干擾通道和前饋通道對系統(tǒng)的作用的疊加來消除干擾的影響。因此，固定的前饋控制只對相應的干擾源起作用，而對其他干擾沒有影響。而且，在工程實際中，影響生產(chǎn)過程的原因多種多樣，系統(tǒng)隨時間、工作狀態(tài)、環(huán)境等情況的變化，也會發(fā)生變化甚至表現(xiàn)出非線性，這些都導致不可能精確確定某一干擾對系統(tǒng)影響的程度或數(shù)學描述關(guān)系式。因此，前饋控制即使對單一干擾也難以完全補償。（3）前饋控制反應迅速在前饋控制系統(tǒng)中，信息流只向前運行，沒有反饋問題，因此相應提高了系統(tǒng)反應的速度。當擾動發(fā)生后，前饋控制器及時動作，對抑制被控制量由于擾動引起的動靜態(tài)偏差比較有效。這非常有利于大遲滯系統(tǒng)的控制。（4）只能用于可測的干擾對不可測干擾，由于無法構(gòu)造前饋控制器而不能使用。3.1.3系統(tǒng)分類按結(jié)構(gòu)，前饋控制可分為靜態(tài)前饋控制、動態(tài)前饋控制、前饋-反饋復合控制系統(tǒng)、前饋-串級復合控制系統(tǒng)等。1．靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)相比之下，（1）形式更為一般，但實際中為了簡化分析常采用圖（2）的形式。2．動態(tài)前饋控制系統(tǒng)前饋調(diào)節(jié)器是由擾動通道和控制通道的動態(tài)特性決定的，而這兩個通道的數(shù)學模型在實際中是通過實驗及模型辨識等手段獲得的，由于系統(tǒng)未知干擾的影響，系統(tǒng)隨時間及環(huán)境的變化，辨識不精確性等原因，得到的數(shù)學模型只能具有相對精度的。另外，利用得到的數(shù)學模型所求的動態(tài)前饋調(diào)節(jié)器，往往由于可實現(xiàn)性、經(jīng)濟性等方面的考慮，在系統(tǒng)控制精度允許的情況下，也要作適當?shù)恼{(diào)整。所以，實際上動態(tài)前饋補償是有限的，并不能消除由于干擾引起的全部誤差。靜態(tài)前饋控制是動態(tài)前饋控制的特例。但是動態(tài)前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復雜，系統(tǒng)的運行和參數(shù)整定亦較復雜，而且需要一套專用的控制裝置。只有當工藝要求控制品質(zhì)很高時，才使用動態(tài)前饋控制方案。3．前饋-反饋復合控制系統(tǒng)由前述分析知，反饋控制是針對系統(tǒng)全部干擾進行補償，是在被控制量“變化了”的基礎上的“滯后補償”；而前饋控制則是針對系統(tǒng)的某種特定干擾而進行的補償，是在被控制量“未變化前”提前進行的“超前補償”。而實際系統(tǒng)的干擾情況往往非常復雜，對所有干擾因素采用前饋控制是不可能的，在要求精度較高時，完全采用反饋控制又難以實現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。此時，常利用前饋和反饋的優(yōu)點組成控制系統(tǒng)——前饋-反饋復合控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制過程的高精度控制要求。前饋-反饋復合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有兩種形式。4．前饋-串級復合控制系統(tǒng)當系統(tǒng)情況復雜時，為了進行更為“精細”的控制，常把系統(tǒng)的主要干擾用前饋系統(tǒng)抑制，對中間變量采用內(nèi)環(huán)反饋控制，對系統(tǒng)控制量采取外環(huán)反饋控制。這樣所構(gòu)成控制系統(tǒng)即為前饋-串級復合控制系統(tǒng)，其框圖如下圖所示。3.1.4前饋控制系統(tǒng)選用原則【原則1】：擾動量可測不可控原則

【原則2】：控制系統(tǒng)精確辨識原則

【原則3】：被控系統(tǒng)自衡原則在階躍作用下，被控量量不經(jīng)過振蕩，逐步向新的穩(wěn)態(tài)值。3.2前饋控制系統(tǒng)的MATLAB仿真