第四章MATLAB與過(guò)程控制系統(tǒng)仿真

第一節(jié)過(guò)程控制的基本概念一、過(guò)程控制的發(fā)展?fàn)顩r：第一階段:(20世紀(jì)50年代以前)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析的基本方法為根軌跡法和頻率法。第二階段:(20世紀(jì)60年代后)自動(dòng)控制的工具產(chǎn)生了直接數(shù)字控制DDC和監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制SCC。第三階段:(20世紀(jì)70年代以后)產(chǎn)生了集散控制系統(tǒng)DCS。20世紀(jì)80年代以后，自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)工具由DCS系統(tǒng)發(fā)展到了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)FCS。第四章MATLAB與過(guò)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(guò)熱器4—給水閥門(mén)5—蒸汽閥門(mén)二、過(guò)程控制的組成要實(shí)現(xiàn)水位控制需要以下裝置:1.測(cè)量水位變化的傳感器或變送器2.能將水位測(cè)量值和水位設(shè)定值進(jìn)行比較并進(jìn)行控制運(yùn)算的控制器3.設(shè)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(duì)象鍋爐本身組成了一個(gè)控制系統(tǒng)。過(guò)程控制系統(tǒng)原理框圖三、生產(chǎn)對(duì)過(guò)程控制的要求和指標(biāo)1、生產(chǎn)對(duì)過(guò)程控制的要求1.安全性2.經(jīng)濟(jì)性3.穩(wěn)定性2、過(guò)程控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)(1)衰減比(2)動(dòng)態(tài)偏差(3)調(diào)整時(shí)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(chēng)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，它是只有一個(gè)檢測(cè)元件或變送器、一個(gè)控制器、一個(gè)執(zhí)行器連同被控制對(duì)象對(duì)一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)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(dāng)被控過(guò)程的輸入量增加（或減?。r(shí)，其輸出量（被控參數(shù)）也增加（或減少），這就稱(chēng)被控過(guò)程為正作用，反之則稱(chēng)為反作用。控制器的正反作用的選擇應(yīng)該在根據(jù)工藝要求對(duì)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(guò)渡過(guò)程參數(shù)整定2、經(jīng)驗(yàn)法3、穩(wěn)定邊界法4、衰減曲線(xiàn)法5、響應(yīng)曲線(xiàn)法6、衰減頻率特性法第三節(jié)復(fù)雜控制系統(tǒng)仿真一、串級(jí)控制系統(tǒng)仿真串級(jí)控制系統(tǒng)框圖計(jì)算順序：先主回路（PID1），后副回路（PID2）?？刂品绞剑寒惒讲蓸涌刂啤骰芈返牟蓸又芷赥1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(shí)，應(yīng)根據(jù)副回路選擇采樣周期，因?yàn)楦被芈返氖芸貙?duì)象的響應(yīng)速度較快。串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1．由兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制器串聯(lián)而成，一個(gè)控制器的輸c出是另一個(gè)控制器的設(shè)定。2．由兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制器、相應(yīng)數(shù)量的檢測(cè)變送器和一個(gè)執(zhí)行器組成。3．主回路是恒值控制系統(tǒng)，對(duì)主控制器的輸出而言，副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)。串級(jí)控制的主要優(yōu)點(diǎn)可概括如下：1．將干擾加到副回路中，由副回路控制對(duì)其進(jìn)行抑制；2．副回路中參數(shù)的變化，由副回路給予控制，對(duì)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(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度；例1

設(shè)副對(duì)象特性為，主對(duì)象特性為，，采樣時(shí)間為2s，外加干擾信號(hào)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(hào)為sin(50t)。

串級(jí)控制的階躍響應(yīng)常規(guī)PID控制的階躍響應(yīng)二、比值控制系統(tǒng)仿真在過(guò)程控制中，把用于實(shí)現(xiàn)兩種（或多種）物料按一定比例關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制的系統(tǒng)，稱(chēng)為比值控制系統(tǒng)。主物料，也稱(chēng)為主動(dòng)量:

在要保持一定比例關(guān)系的物料中，把起主導(dǎo)作用的物料。從物料，也稱(chēng)為從動(dòng)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(diǎn)2.1比值控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)2.1.2比值控制系統(tǒng)的類(lèi)型根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中工藝容許的負(fù)荷、干擾、產(chǎn)品質(zhì)量等要求不同，實(shí)際采用的比值控制方案也不同。比值控制系統(tǒng)分為：1.開(kāi)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(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)1）當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，兩物料的流量滿(mǎn)足比值關(guān)系。2）當(dāng)主動(dòng)量受到干擾而發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)比值器及設(shè)定值按比例去改變控制閥的開(kāi)度，調(diào)節(jié)從動(dòng)量使之與主動(dòng)量仍保持原有的比例關(guān)系。3）當(dāng)從動(dòng)量受到外界干擾（如溫度、壓力擾動(dòng)）波動(dòng)時(shí)，由于是開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有調(diào)節(jié)從動(dòng)量自身波動(dòng)的環(huán)節(jié)，也沒(méi)有調(diào)整主動(dòng)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(duì)此無(wú)能為力。開(kāi)環(huán)比值控制是理解比例控制工作機(jī)理的基礎(chǔ)，在實(shí)際工程上很少應(yīng)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(kāi)環(huán)比值控制系統(tǒng)上增加對(duì)副物料的閉環(huán)控制回路，用以實(shí)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(dāng)在系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，主、副物料流量的比值恒定。（2）當(dāng)主物料流量不變，副物料流量受到擾動(dòng)變化時(shí)，可通過(guò)副流量的閉合回路調(diào)整副物料流量使之恢復(fù)到原設(shè)定值，保證主、副物料流量比值一定。（3）當(dāng)主物料流量受到擾動(dòng)變化，而副物料不變時(shí)，則按預(yù)先設(shè)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(kāi)度，使副流量跟隨主流量而變化，從而保證原設(shè)定的比值不變。（4）當(dāng)主、副物料流量同時(shí)受到擾動(dòng)變化時(shí)，調(diào)節(jié)器在調(diào)整副物料流量使之維持原設(shè)定值的同時(shí)，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(kāi)度，使主、副物料流量在新的流量數(shù)值的基礎(chǔ)上，保持原設(shè)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(wú)法控制主物料的流量不變，因此，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的生產(chǎn)能力沒(méi)有進(jìn)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(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化中應(yīng)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(shí)，若主動(dòng)量受到干擾發(fā)生波動(dòng)，則主動(dòng)量回路對(duì)其進(jìn)行定值控制，使主動(dòng)量始終穩(wěn)定在給定值附近，同時(shí)從動(dòng)量控制回路也會(huì)隨主動(dòng)量的波動(dòng)進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)從動(dòng)量受到擾動(dòng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，從動(dòng)量控制回路對(duì)其進(jìn)行定值控制，使從動(dòng)量始終穩(wěn)定在定值附近，而主動(dòng)控制回路不受從動(dòng)量波動(dòng)的影響。因此，因擾動(dòng)而發(fā)生的主動(dòng)量和從動(dòng)量波動(dòng)利用各自控制回路分別實(shí)現(xiàn)實(shí)際值與給定值吻合，從而保證主、副物料流量的比值恒定。當(dāng)調(diào)節(jié)主動(dòng)量給定值時(shí)，主動(dòng)量控制回路調(diào)節(jié)主動(dòng)量實(shí)際值和給定值吻合；同時(shí)，根據(jù)主動(dòng)量與從動(dòng)量的比值及新的主動(dòng)量給定值，系統(tǒng)給出從動(dòng)量控制回路的輸入值。通過(guò)從動(dòng)控制回路的調(diào)節(jié)控制使從動(dòng)量的實(shí)際值與該輸入值吻合，即從動(dòng)控制量的實(shí)際值與主動(dòng)量變動(dòng)后的數(shù)值相對(duì)應(yīng)，保持主動(dòng)量和從動(dòng)量的比值不變?？梢?jiàn)主動(dòng)量控制回路是一定值控制系統(tǒng)，而從動(dòng)量控制回路是一個(gè)隨動(dòng)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(diǎn)如下：（1）控制系統(tǒng)更為穩(wěn)定對(duì)主動(dòng)量的定值控制克服了干擾對(duì)主動(dòng)量的影響，因此主動(dòng)量變化平穩(wěn)，從動(dòng)量也將平穩(wěn)，進(jìn)而系統(tǒng)的總物料流量穩(wěn)定，更好地滿(mǎn)足了生產(chǎn)工藝要求。（2）系統(tǒng)更易于調(diào)節(jié)當(dāng)需要改變主動(dòng)量的設(shè)定值時(shí)，主動(dòng)量控制回路通過(guò)調(diào)節(jié)控制使主動(dòng)量的輸出值改變?yōu)樾略O(shè)定值，同時(shí)從動(dòng)量也將隨主動(dòng)量按給定比值變化。因此，當(dāng)需要調(diào)整負(fù)荷時(shí)，只要改變主動(dòng)量回路控制器的給定值，就可同步調(diào)整主動(dòng)量和從動(dòng)量，并保持主動(dòng)量和從動(dòng)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(diǎn)是在保持主動(dòng)量和從動(dòng)量比值關(guān)系的前提下，構(gòu)成從動(dòng)量閉環(huán)回路，使從動(dòng)量跟主動(dòng)量變化。這樣控制系統(tǒng)只控制從動(dòng)量的變化而對(duì)主動(dòng)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(dòng)量變化不大的場(chǎng)合。對(duì)于跟隨主動(dòng)量變化控制給定值的從動(dòng)量隨動(dòng)控制系統(tǒng)，期望系統(tǒng)響應(yīng)快些，一般整定為非周期過(guò)程。選擇PI控制方式。

例2

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(duì)象的單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。單閉環(huán)比值控制過(guò)程相當(dāng)于從動(dòng)量隨主動(dòng)量變化的隨機(jī)控制過(guò)程。假設(shè)主動(dòng)量由一常值10加幅值為0.3的隨機(jī)擾動(dòng)構(gòu)成，從動(dòng)量受一個(gè)隨機(jī)干擾。主動(dòng)量和從動(dòng)量的比值假定為3。（Kp=0.3,Ki=0.02）為了利用Workspace中強(qiáng)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(shè)置運(yùn)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(shè)置：輸出曲線(xiàn)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(diǎn)是在保持比值控制的前提下，主動(dòng)量和從動(dòng)量?jī)蓚€(gè)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(fù)荷比較穩(wěn)定。例3

某主動(dòng)量和從動(dòng)量控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分別為：假定主動(dòng)量給定值為5，主動(dòng)量和從動(dòng)量的比值為4，主動(dòng)控制和從動(dòng)控制系統(tǒng)均受隨機(jī)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(xiàn)三、前饋控制系統(tǒng)仿真3.1前饋控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)反饋控制是基于被控量的偏差進(jìn)行的，沒(méi)有偏差也就不存在反饋控制。當(dāng)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(dòng)。所以，反饋控制是接近理想要求，但永遠(yuǎn)也無(wú)法保持理想要求的控制。當(dāng)被控對(duì)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(yīng)實(shí)現(xiàn)控制目的時(shí)，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(bǔ)了反饋控制的一些缺點(diǎn)。前饋控制是針對(duì)擾動(dòng)量及其變化進(jìn)行控制的。3.1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)干擾對(duì)系統(tǒng)的作用是通過(guò)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（或稱(chēng)前饋控制器），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(diǎn)前饋控制系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：（1）屬于開(kāi)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(gè)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(duì)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)精度要求較高。（2）很強(qiáng)的補(bǔ)償局限性前饋控制實(shí)際是利用同一干擾源經(jīng)過(guò)干擾通道和前饋通道對(duì)系統(tǒng)的作用的疊加來(lái)消除干擾的影響。因此，固定的前饋控制只對(duì)相應(yīng)的干擾源起作用，而對(duì)其他干擾沒(méi)有影響。而且，在工程實(shí)際中，影響生產(chǎn)過(guò)程的原因多種多樣，系統(tǒng)隨時(shí)間、工作狀態(tài)、環(huán)境等情況的變化，也會(huì)發(fā)生變化甚至表現(xiàn)出非線(xiàn)性，這些都導(dǎo)致不可能精確確定某一干擾對(duì)系統(tǒng)影響的程度或數(shù)學(xué)描述關(guān)系式。因此，前饋控制即使對(duì)單一干擾也難以完全補(bǔ)償。（3）前饋控制反應(yīng)迅速在前饋控制系統(tǒng)中，信息流只向前運(yùn)行，沒(méi)有反饋問(wèn)題，因此相應(yīng)提高了系統(tǒng)反應(yīng)的速度。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，前饋控制器及時(shí)動(dòng)作，對(duì)抑制被控制量由于擾動(dòng)引起的動(dòng)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(cè)的干擾對(duì)不可測(cè)干擾，由于無(wú)法構(gòu)造前饋控制器而不能使用。3.1.3系統(tǒng)分類(lèi)按結(jié)構(gòu)，前饋控制可分為靜態(tài)前饋控制、動(dòng)態(tài)前饋控制、前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)、前饋-串級(jí)復(fù)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(shí)際中為了簡(jiǎn)化分析常采用圖（2）的形式。2．動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)前饋調(diào)節(jié)器是由擾動(dòng)通道和控制通道的動(dòng)態(tài)特性決定的，而這兩個(gè)通道的數(shù)學(xué)模型在實(shí)際中是通過(guò)實(shí)驗(yàn)及模型辨識(shí)等手段獲得的，由于系統(tǒng)未知干擾的影響，系統(tǒng)隨時(shí)間及環(huán)境的變化，辨識(shí)不精確性等原因，得到的數(shù)學(xué)模型只能具有相對(duì)精度的。另外，利用得到的數(shù)學(xué)模型所求的動(dòng)態(tài)前饋調(diào)節(jié)器，往往由于可實(shí)現(xiàn)性、經(jīng)濟(jì)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(dāng)?shù)恼{(diào)整。所以，實(shí)際上動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)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(dòng)態(tài)前饋控制的特例。但是動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，系統(tǒng)的運(yùn)行和參數(shù)整定亦較復(fù)雜，而且需要一套專(zhuān)用的控制裝置。只有當(dāng)工藝要求控制品質(zhì)很高時(shí)，才使用動(dòng)態(tài)前饋控制方案。3．前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)由前述分析知，反饋控制是針對(duì)系統(tǒng)全部干擾進(jìn)行補(bǔ)償，是在被控制量“變化了”的基礎(chǔ)上的“滯后補(bǔ)償”；而前饋控制則是針對(duì)系統(tǒng)的某種特定干擾而進(jìn)行的補(bǔ)償，是在被控制量“未變化前”提前進(jìn)行的“超前補(bǔ)償”。而實(shí)際系統(tǒng)的干擾情況往往非常復(fù)雜，對(duì)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(shí)，完全采用反饋控制又難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。此時(shí)，常利用前饋和反饋的優(yōu)點(diǎn)組成控制系統(tǒng)——前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的高精度控制要求。前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有兩種形式。4．前饋-串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)當(dāng)系統(tǒng)情況復(fù)雜時(shí)，為了進(jìn)行更為“精細(xì)”的控制，常把系統(tǒng)的主要干擾用前饋系統(tǒng)抑制，對(duì)中間變量采用內(nèi)環(huán)反饋控制，對(duì)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(jí)復(fù)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(dòng)量可測(cè)不可控原則

【原則2】：控制系統(tǒng)精確辨識(shí)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(guò)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