第四章 MATLAB与过程控制系统仿真

1、MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 第一节第一节 过程控制的基本概念过程控制的基本概念 一、过程控制的发展状况一、过程控制的发展状况： 第一阶段:(20世纪50年代以前) 对系统进行分析的基本方法为根轨迹法和频率法。 第二阶段:(20世纪60年代后) 自动控制的工具产生了直接数字控制DDC和监督计算机 控制SCC。 第三阶段:(20世纪70年代以后) 产生了集散控制系统DCS。 20世纪80年代以后，自动化的实现工具由DCS系统发展 到了现场总线控制系统FCS。 第四章第四章 MATLAB与过程控制系统仿真与过程控制系统仿真 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 锅炉水位控制

2、原理图 1锅筒 2省煤器 3过热器 4给水阀门 5蒸汽阀门 二、过程控制的组成二、过程控制的组成 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 要实现水位控制需要以下装置要实现水位控制需要以下装置: : 1.测量水位变化的传感器或变送器 2.能将水位测量值和水位设定值进行比较并进行控制 运算的控制器 3.设定水位的定值器(可能包括在控制器内) 4.执行控制命令的执行器 5.调节给水量的控制阀 这些装置和被控对象锅炉本身组成了一个控制系统。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 过程控制系统原理框图 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 三、生产对过程控制的要求和指标三、生产对过

3、程控制的要求和指标 1、生产对过程控制的要求 1.安全性 2.经济性 3.稳定性 2、过程控制系统的品质指标 (1)衰减比 (2)动态偏差 (3)调整时间Tc (4)静态偏差 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 第二节第二节 单回路控制系统单回路控制系统 一、单回路控制系统的组成一、单回路控制系统的组成 单回路控制系统又称简单控制系统，它是只有一个检测 元件或变送器、一个控制器、一个执行器连同被控制对象 对一个被控参数进行控制的反馈闭环控制系统。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 单回路控制系统 1液位变送器 2液位控制器 3执行器 MATLABMATLAB与系统仿真与系

4、统仿真 单回路液位控制系统 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 二、控制器的选择二、控制器的选择 1、比例控制器的选择 2、比例、积分控制器的选择 3、比例、积分、微分控制器的选择 三、控制器的正反作用选择三、控制器的正反作用选择 控制器有正作用和反作用两种，当被控过程的输入量 增加（或减小）时，其输出量（被控参数）也增加 （或减少），这就称被控过程为正作用，反之则称为 反作用。 控制器的正反作用的选择应该在根据工艺要求对控制 阀、气关作用确定之后再行确定。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 五、控制器的参数整定五、控制器的参数整定 1、过渡过程参数整定 2、经验法 3、

5、稳定边界法 4、衰减曲线法 5、响应曲线法 6、衰减频率特性法 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 第三节第三节 复杂控制系统仿真复杂控制系统仿真 一、串级控制系统仿真一、串级控制系统仿真 串级控制系统框图 计算顺序：先主回路（PID1），后副回路（PID2）。 控制方式：异步采样控制主回路的采样周期T1是副回路采 样周期T2的整数倍。 同步采样控制主、副回路采样周期相同。这时， 应根据副回路选择采样周期，因为副回路的受控对象的响应 速度较快。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 串级控制系统的结构特点： n1由两个或两个以上的控制器串联而成，一个控制器的输c 出是另一个控

6、制器的设定。 n2由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和 一个执行器组成。 n3主回路是恒值控制系统，对主控制器的输出而言，副回 路是随动系统。 串级控制的主要优点可概括如下： n1将干扰加到副回路中，由副回路控制对其进行抑制； n2副回路中参数的变化，由副回路给予控制，对被控量G1 的影响大为减弱； n3副回路的惯性由副回路给予调节，因此提高了整个系统 的响应速度； MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 例1 设副对象特性为 ，主对象特性为 ， ，采样时间为2s，外加干扰信号 为sin(50t)。 ) 1/(1)( 022 sTsG ) 1/(1)( 011 sTsG10

7、0210 TT MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 主调节器采用PI控制， ，副调节器采用P控制， ，外加干扰信号为sin(50t)。 5,50 ip kk 200 p k MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 串级控制的阶跃响应常规PID控制的阶跃响应 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 二、比值控制系统仿真二、比值控制系统仿真 在过程控制中，把用于实现两种（或多种）物料按一定 比例关系进行关联控制的系统，称为比值控制系统。 主物料，也称为主动量: 在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料。 从物料，也称为从动量: 另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料

8、。 2.1.1 比值控制系统特点 2.1 比值控制系统基础知识 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 2.1.2 比值控制系统的类型 根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要 求不同，实际采用的比值控制方案也不同。 比值控制系统分为：1. 开环比值控制系统； 2. 单闭环比值控制系统； 3. 双闭环比值控制系统等； MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 1开环比值控制系统 1）当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比 值关系。 2）当主动量受到干扰而发生变化时，系统通过比值器 及设定值按比例去改变控制阀的开度，调节从动量使之与 主动量仍保持原有的比例关系。 3）当从

9、动量受到外界干扰（如温度、压力扰动）波动 时，由于是开环控制，没有调节从动量自身波动的环节， 也没有调整主动量的环节，故两种物料的比值关系很难保 持不变，系统对此无能为力。 开环比值控制是理解比例控制工作机理的基础，在实 际工程上很少应用。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 2单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物 料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。 单闭环比值控制系统的四种工作情况： （1）当在系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。 （2）当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料 流

10、量使之恢复到原设定值，保证主、副物料流量比值一定。 （3）当主物料流量受到扰动变化，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成 比例变化，即改变给定值，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副 流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。 （4）当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的 同时，系统又根据主物料流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新 的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。 总之, 单闭环比值控制系统虽然能保持主、副物料流量比值不变，但是无法控制主物料 的流量不变，因此，对生产过程的生产能

11、力没有进行控制。该控制系统能保证主、副物料的 流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 3双闭环比值控制系统 在双闭环比值控制系统工作时，若主动量受到干扰发生波动，则主动量回路对 其进行定值控制，使主动量始终稳定在给定值附近，同时从动量控制回路也会随主 动量的波动进行调整；当从动量受到扰动发生波动时，从动量控制回路对其进行定 值控制，使从动量始终稳定在定值附近，而主动控制回路不受从动量波动的影响。 因此，因扰动而发生的主动量和从动量波动利用各自控制回路分别实现实际值 与给定值吻合，从而保证主、副物料流量的比值恒定。 当

12、调节主动量给定值时，主动量控制回路调节主动量实际值和给定值吻合；同 时，根据主动量与从动量的比值及新的主动量给定值，系统给出从动量控制回路的 输入值。 通过从动控制回路的调节控制使从动量的实际值与该输入值吻合，即从动控制 量的实际值与主动量变动后的数值相对应，保持主动量和从动量的比值不变。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 可见主动量控制回路是一定值控制系统，而从动量控制 回路是一个随动控制系统。 和单闭环比值控制系统相比，双闭环比值控制系统的突 出优点如下： （1）控制系统更为稳定 对主动量的定值控制克服了干扰对主动量的影响，因此 主动量变化平稳，从动量也将平稳，进而系统的总物料

13、流量 稳定，更好地满足了生产工艺要求。 （2）系统更易于调节 当需要改变主动量的设定值时，主动量控制回路通过调 节控制使主动量的输出值改变为新设定值，同时从动量也将 随主动量按给定比值变化。 因此，当需要调整负荷时，只要改变主动量回路控制器 的给定值，就可同步调整主动量和从动量，并保持主动量和 从动量的比值不变。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 2.2 2.2 比值控制系统的比值控制系统的MATLABMATLAB仿真仿真 2.2.1 单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统的特点是在保持主动量和从动量比值 关系的前提下，构成从动量闭环回路，使从动量跟主动量变化。 这样控制系统只控制

14、从动量的变化而对主动量的变化未加控制。 因此，单闭环比值控制系统适用于主动量变化不大的场合。 对于跟随主动量变化控制给定值的从动量随动控制系统， 期望系统响应快些，一般整定为非周期过程。选择PI控制方式。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 例2 假设系统从动量传递函数为 设计该从动对象的单闭环比值控制系统。 t e s sG 5 115 3 )( MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 单闭环比值控制过程相当于从动量随主动量变化的随机控 制过程。假设主动量由一常值10加幅值为0.3的随机扰动构成， 从动量受一个随机干扰。主动量和从动量的比值假定为3。 （Kp=0.3,Ki=0

15、.02） 为了利用Workspace中强大的绘图功能，将多张图绘制在一 起，将输出传到Workspace。 建立模型及simout设置运行后，在命令窗口输入 plot(tout,simout,tout,simout1,tout,simout2) 再用输出图形中的菜单Insert-text增加图释。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 Simout模块的设置： MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 输出曲线 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 2.2.2 双闭环比值控制系统 双闭环比值控制系统的特点是在保持比值控制的前提下， 主动量和从动量两个流量均构成闭环回路，这样

16、克服了自身流 量的干扰，使主、从流量都比较平稳，并使得工艺总负荷比较 稳定。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 例3 某主动量和从动量控制系统的数学模型分别为： 假定主动量给定值为5，主动量和从动量的比值为4，主动控制 和从动控制系统均受随机干扰。（主、从控制回路均选择PI控 制方式，Kp=0.82,Ki=0.05）。 st e ss sGe s sG 55 ) 120)(110( 3 )(, 115 3 )( MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 仿真模型： MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 输出曲线 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 三、前馈控制

17、系统仿真三、前馈控制系统仿真 3.1 前馈控制系统基础知识 反馈控制是基于被控量的偏差进行的，没有偏差也就不存 在反馈控制。当然，只要存在偏差，控制系统就不可能保持在 理想控制要求上，而是在理想要求附近摆动。所以，反馈控制 是接近理想要求，但永远也无法保持理想要求的控制。 当被控对象呈现大延迟（如含有较大的容积延迟或纯延迟） 或所受干扰较多，干扰频率较高，要求系统快速反应实现控制 目的时，反馈控制系统的控制效果往往不够理想。 与反馈控制相比，前馈控制很好的弥补了反馈控制的一些 缺点。前馈控制是针对扰动量及其变化进行控制的。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 3.1.1 系统结构 2

18、 f d G G G 1233 123 1 pf p XG GG GMGG Y FG GG G （） 干扰对系统的作用是通过干扰通道进行的，前馈的控制原 理是给系统附加一个前馈通道（或称前馈控制器），使所测量 的系统扰动通过前馈控制器改变控制量。利用扰动所附加的控 制量与扰动对被控制量影响的叠加消除或减小干扰的影响。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 3.1.2 系统特点 前馈控制系统主要特点如下： （1）属于开环控制 只要系统中各环节是稳定的，则控制系统必然稳定。但若系统中有一个 环节不稳定，或局部不稳定，系统就不稳定。另外，系统的控制精度取决于 构成控制系统的每一部分的精度，所

19、以对系统各环节精度要求较高。 （2）很强的补偿局限性 前馈控制实际是利用同一干扰源经过干扰通道和前馈通道对系统的作用 的叠加来消除干扰的影响。因此，固定的前馈控制只对相应的干扰源起作用， 而对其他干扰没有影响。 而且，在工程实际中，影响生产过程的原因多种多样，系统随时间、工 作状态、环境等情况的变化，也会发生变化甚至表现出非线性，这些都导致 不可能精确确定某一干扰对系统影响的程度或数学描述关系式。因此，前馈 控制即使对单一干扰也难以完全补偿。 （3）前馈控制反应迅速 在前馈控制系统中，信息流只向前运行，没有反馈问题，因此相应提高 了系统反应的速度。当扰动发生后，前馈控制器及时动作，对抑制被控制

20、量 由于扰动引起的动静态偏差比较有效。这非常有利于大迟滞系统的控制。 （4）只能用于可测的干扰 对不可测干扰，由于无法构造前馈控制器而不能使用。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 3.1.3 系统分类 按结构，前馈控制可分为静态前馈控制、动态前馈控制、 前馈-反馈复合控制系统、前馈-串级复合控制系统等。 1静态前馈控制系统 相比之下，（1）形式更为一般，但实际中为了简化分析常 采用图（2）的形式。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 2动态前馈控制系统 前馈调节器是由扰动通道和控制通道的动态特性决定的，而这两个通 道的数学模型在实际中是通过实验及模型辨识等手段获得的，由于

21、系统未 知干扰的影响，系统随时间及环境的变化，辨识不精确性等原因，得到的 数学模型只能具有相对精度的。 另外，利用得到的数学模型所求的动态前馈调节器，往往由于可实现 性、经济性等方面的考虑，在系统控制精度允许的情况下，也要作适当的 调整。 所以，实际上动态前馈补偿是有限的，并不能消除由于干扰引起的全 部误差。 静态前馈控制是动态前馈控制的特例。但是动态前馈控制系统的结构 比较复杂，系统的运行和参数整定亦较复杂，而且需要一套专用的控制装 置。只有当工艺要求控制品质很高时，才使用动态前馈控制方案。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 3前馈-反馈复合控制系统 由前述分析知，反馈控制是针对

22、系统全部干扰进行补偿，是在被控制量 “变化了”的基础上的“滞后补偿”；而前馈控制则是针对系统的某种特定 干扰而进行的补偿，是在被控制量“未变化前”提前进行的“超前补偿”。 而实际系统的干扰情况往往非常复杂，对所有干扰因素采用前馈控制是 不可能的，在要求精度较高时，完全采用反馈控制又难以实现系统的控制要 求。 此时，常利用前馈和反馈的优点组成控制系统前馈-反馈复合控制系 统实现控制过程的高精度控制要求。 前馈-反馈复合控制系统结构有两种形式。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 4前馈-串级复合控制系统 当系统情况复杂时，为了进行更为“精细”的控制，常把 系统的主要干扰用前馈系统抑制，

23、对中间变量采用内环反馈控 制，对系统控制量采取外环反馈控制。这样所构成控制系统即 为前馈-串级复合控制系统，其框图如下图所示。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 3.1.4 前馈控制系统选用原则 【原则1】：扰动量可测不可控原则 【原则2】：控制系统精确辨识原则 【原则3】：被控系统自衡原则 在阶跃作用下，被控量量不经过振荡，逐步向新的稳态值。 MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 3.2 3.2 前馈控制系统的前馈控制系统的MATLABMATLAB仿真仿真 3.2.1 静态前馈系统 例4 静态前馈系统的控制框图如下图所示。 已知 ， ， ， 。 输入信号为常数5叠加最大最小值为0.1的随机信号；干扰源 为常值叠加最大最小值为1的随机信号构成。 13 5 . 0 )( 1 s sG s e s sG 01. 0 2 17 2 )( s f e s sG 013. 0 116 5 . 0 )( 1)( 3 sG MATLABMATLAB与系统仿真与系统仿真 1、系统自衡性分析： 如对于G1(s)，输入命令 num=0.5; den=3,1; step(num,den) 得出阶跃响应曲线见右图， 说明系统是自衡的。 2、静态前馈控制器参数整定 25. 0 )( )( lim 2 0 sG sG K f s d M