1、銀河航空航天大學課 程 設 計（論文） 題目 復雜過程控制系統設計與Simulink仿真 班 級 學 號 學 生 姓 名 指 導 教 師 目 錄0. 前言11. 總體方案設計22. 三種系統結構和原理32.1 串級控制系統32.2 前饋控制系統32.3 解耦控制系統43. 建立Simulink模型53.1 串級53.2 前饋53.3 解耦74. 課設小結及進一步思想14參考文獻14附錄 設備清單15復雜過程控制系統設計與Simulink仿真 銀河航空航天大學自動化分校摘要：本文主要針對串級、前饋、解耦三種復雜過程控制系統進行設計，以此來深化對復雜過程控制系統的理解，體會復雜過程控制系統在工業生

2、產中對提高產品產量、質量和生產效率的重要作用。建立Simulink模型，學習在工業過程中進行系統分析和參數整定的方法，為畢業設計對模型進行仿真分析及過程參數整定做準備。關鍵字：串級；前饋；解耦；建模；Simulink。0. 前言單回路控制系統解決了工業過程自動化中的大量的參數定制控制問題，在大多數情況下這種簡單系統能滿足生產工藝的要求。但隨著現代工業生產過程的發展，對產品的產量、質量，對提高生產效率、降耗節能以及環境保護提出了更高的要求，這便使工業生產過程對操作條件要求更加嚴格、對工藝參數要求更加苛刻，從而對控制系統的精度和功能要求更高。為此，需要在單回路的基礎上，采取其它措施，組成比單回路系

3、統“復雜”一些的控制系統，如串級控制（雙閉環控制）、前饋控制大滯后系統控制（補償控制）、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。從結構上看，這些控制系統由兩個以上的回路構成，相比單回路系統要多一個以上的測量變送器或調節器，以便完成復雜的或特殊的控制任務。這類控制系統就稱為“復雜過程控制系統”，以區別于單回路系統這樣簡單的過程控制系統。 計算機仿真是在計算機上建立仿真模型，模擬實際系統隨時間變化的過程。通過對過程仿真的分析，得到被仿真系統的動態特性。過程控制系統計算機仿真，為流程工業控制系統的分析、設計、控制、優化和決策提供了依

4、據。同時作為對先進控制策略的一種檢驗，仿真研究也是必不可少的步驟。控制系統的計算機仿真是一門涉及到控制理論、計算機數學與計算機技術的綜合性學科。控制系統仿真是以控制系統的模型為基礎，主要用數學模型代替實際控制系統，以計算機為工具，對控制系統進行實驗和研究的一種方法。在進行計算機仿真時，十分耗費時間與精力的是編制與修改仿真程序。隨著系統規模的越來越大，先進過程控制的出現，就需要行的功能強大的仿真平臺Math Works公司為MATLAB提供了控制系統模型圖形輸入與仿真工具Simulink，這為過程控制系統設計與參數整定的計算與仿真提供了一個強有力的工具，使過程控制系統的設計與整定發生了革命性的變

5、化。1. 總體方案設計本次設計共分為三個部分，分別對串級、前饋、解耦三個復雜過程控制系統進行設計。首先研究各復雜控制系統的結構以及工作原理原理，畫出它們的原理框圖，分析這些系統的特點，包括其被控過程的動態特性、對擾動的抗干擾能力等等，然后對這些系統進行具體設計，建立SImulink模型，然后選擇合適的工業過程進行參數整定及系統分析。總體方案如圖1所示：研究系統結構、原理畫原理框圖進行系統分析系統設計建立Simulink模型參數整定、仿真分析圖1 課程設計整體方案設計2. 三種系統結構和原理2.1 串級控制系統控制系統具有多個控制器和一個執行機構，這些控制器被一個一個地串聯起來，前一個控制器的輸

6、出就是后一個控制器的設定值，其執行機構由最后一個控制器控制，這種系統被稱為串級控制系統。串級控制系統的基本組成如圖2所示：主對象副控制器副對象控制閥主控制器 副測量主測量圖2 串級控制系統的基本組成為了提高系統性能，在以為被控量的被控對象中適當選取另一個可測變量為中間變量，稱為副被控量，也稱副參數，相對于把稱為主被控量，也稱主參數。以為分界，把整個受控過程分成兩個組成部分，以為輸出的部分稱為副對象，而以為輸入的部分稱為主對象。主被控量和副被控量通過各自的控制器構成閉環控制。副被控量的控制回路在內，其設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，這兩個控制回路稱為內環和外環。通常把

7、作用在主對象上的擾動稱為一次擾動，作用在副回路上的擾動稱為二次擾動。2.2 前饋控制系統可測干擾 M前饋控制是針對擾動量及其變化進行控制的。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，為干擾源至系統輸出的干擾通道傳遞函數；為前饋調節器函數；為干擾源至系統輸出的控制通道傳遞函數；為給定環節傳遞函數。系統輸出為：Y=X+M(+)干擾對系統的作用是通過干擾通道進行的，前饋的控制原理是給系統附加一個前饋通道，使所測量的系統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量影響的疊加消除和減小干擾的影響。 2.3 解耦控制系統解耦方法有很多方法，這里只說前饋補

8、償解耦設計。過程可以表示為 若令 而又滿足 則有 （1） （2）而 同理令 可得 這樣就實現了過程解耦，式（1）和式（2)為補償器結構，它和串聯補償不同，采用的是前饋補償的不變性原理。其系統構成如圖4所示：-回路1+ 圖4 前饋補償法解耦框圖回路2+-+ 3. 建立Simulink模型3.1 串級以隧道窯系統對象進行仿真研究。考慮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控制系統中主、副對象的傳遞函數和分別為：主、副控制器的傳遞函數和為：建立系統的Simulink模型如圖5所示：圖5 串級控制時系統的Simulink模型在圖5中，q1為一次擾動，取階躍信號；q2為二次擾

9、動，取階躍信號；PID C1為主控制器，采用PID控制；PID C2為副控制器，采用PID控制；為副對象；為主對象；r為系統輸入，取階躍信號；c為系統輸出，它連接到示波器上，可以方便的觀測輸出。3.2 前饋這里進行前饋反饋復合控制系統仿真。前饋反饋復合控制系統仿真主要包括：系統辨識、控制系統整定和系統仿真等內容。假設被控對象的干擾通道傳遞函數為：系統被控部分傳遞函數為：給定部分傳遞函數為： 可測干擾 M(s)采用前饋、反饋分別整定的方法，前饋整定參數為，。若系統采用PID控制，則系統結構框圖如圖6所示:動態前饋 補償器 + + _+ 給定值 X(s)輸出Y(s)+_PID1圖6 前饋反饋復合控

10、制系統方框圖系統穩定性分析是實驗調試中正確把握試驗方法、試驗參數的基本依據。對圖5所示系統反饋環節開環穩定性進行分析（不含PID調節器部分），為分析方便取：不含PID調節器的開環傳遞函數可近似寫成：可見開環系統不穩定。反饋控制器取為PI形式。采用階躍響應法整定PI參數。開環階躍響應SImulink框圖如圖7所示：圖7 開環階躍響應Simulink框圖其中階躍輸入控制量，因此得：利用各整定參數及系統模型辨識結果構建系統前饋反饋復合控制Simulink框圖如圖8所示：圖8 系統前饋反饋復合控制Simulink框圖3.3 解耦這里進行前饋補償解耦控制仿真。以鍋爐燃燒系統為對象，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，為系統蒸汽壓采用參數前饋補償解耦法對噶系統進行仿真。此為雙輸入雙輸出系統，初步選擇輸入x1、x2分別對應輸出y1、y2。經辨識，得系統輸入、輸出的傳遞關系為：(3)由式（3）的系統靜態放大系數矩陣為： (4)即系統的第一放大系數矩陣為：(5)系統的相對增益矩陣為：(6)由相對增益矩陣可以看出，控制系統輸入、輸出的配對選擇是錯誤的，應調換。為了表述方便，調換后仍用輸入x1(原x2)、x2(原x1)分別對應輸出y1、y2，輸入、輸出之間的傳遞關系為：(7)輸入、輸出重新匹配后，系統輸入、輸出結構如圖9所示：+輸出 輸入輸出 輸入 +圖9 重新匹配后的系統耦合關系可求得

12、相對增益矩陣為：(8)由式(8)知,輸入x1、x2分別對輸出y1、y2的控制能力接近于1，通道間相互耦合接近零。如不強調系統的動態跟隨特性，只考慮穩態特性，則系統的兩個通道耦合很弱不需要解耦。但如果考慮動態情況，由于系統純在耦合，則容易形成正反饋，應對系統進行耦合分析。本次選擇前饋方式實現解耦，前饋解耦控制器分別為：(9)(10)采用前饋解耦后，系統的結構圖如圖10所示：被控耦合系統前饋補償 + + 輸出 + _ 輸入 + +輸出 _ + 輸入圖10 采用前饋耦合后系統結構解耦前后系統的Simulink階躍仿真框圖如圖11所示： (a) 系統不純在耦合的Simulink仿真框圖 (b) 系統耦

13、合Simulink仿真框圖 (c) 利用前饋補償實現系統耦合的Simulink仿真框圖 圖11 系統解耦狀態對比Simulink仿真框圖圖11(a)為系統無耦合的Simulink階躍仿真框圖；圖11(b)為系統耦合時Simulink階躍仿真框圖；圖11(c)為系統采用前饋耦合后的Simulink階躍仿真框圖。通過前饋補償解耦，原系統已可看成兩個獨立的單輸入單輸出系統。考慮到PID應用的廣泛性和系統無靜差要求，控制器采用PI形式。PI參數整定通過解耦的兩個單輸入單輸出系統進行。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 系統解耦后各通道獨立整定Simulink框圖實現完全解耦的系統可以分別用兩個單輸入單輸出系統仿真。但為了從整體角度進一步管擦解耦情況，仿真時按整體進行如圖13所示：(a) PI模塊的結構(b) 解耦時系統的Simulink仿真框圖(c) 不解耦時系統的Simulink仿真框圖圖13 系統解耦與不解耦時，系統的Simulink仿真框圖為了對比解耦和不解耦兩種情況，圖13(b)為解耦時系統的Simulink仿真框圖，圖13(c)為不解耦時系統的Simulink仿真框圖。其中PI1PI4的結構如圖13(a)所示。各處 干擾均為幅度為的隨機擾動。4. 課設小結及

15、進一步思想通過這次緊張的課程設計，我收獲頗多，每天面對著電腦，翻閱各種相關資料，體會頗深。對于復雜過程控制和Matlab中仿真工具Simulink的學習，有種意猶未盡之感，在這次課設中，加深了對復雜過程控制和Matlab中仿真工具Simulink相關知識的理解，鞏固了原有知識的同時又學到了一些新鮮的知識。很感謝老師的耐心教導，她的認真負責讓我們折服。這次的課設讓我找到了方向，讓我懂得了很多：知識是多方面的，要想學好任何一門知識都要付出很多努力，堅持不懈；同時，想要做好一件事就要身心投入，認真去做。由于時間倉促，以及自身水平有限，這次的課設只對復雜過程控制中的串級、前饋、和解耦進行了學習和Sim

16、ulink建模，對于仿真需要的參數還沒有整定出來，因此也未能進行具體的仿真分析。在課設結束之后我要繼續學習，把畢設中的其它工作早日完成。參考文獻1 王正林，郭陽寬. 過程控制與Simulink應用. 北京：電子工業出版社, 2006.72 邵裕森、戴先中. 過程控制工程. 北京: 機械工業出版社, 2000.53 劉文定. 過程控制系統的MATLAB仿真. 機械工業出版社, 2009.24 蕭德云譯. 過程控制系統應用、設計與整定（第3版）. 清華大學出版社，2004.55 金以慧. 過程控制. 清華大學出版社，2002.36 馬莉. MATLAB數學實驗與建模. 清華大學出版社，2010.1

17、7 李國勇. 過程控制系統. 北京: 電子工業出版社,2009.48 陳杰. MATLAB寶典. 北京: 電子工業出版社，2011.1附錄 設備清單 不需要設備名稱數量計算機1MATLAB軟件1祝順利完成 俊彩滕王tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30

18、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