1、過程控制工程概論課程實驗指導書電子電氣工程學院自動化系2012.2目 錄第一章 前言. .3第二章 過程控制工程概論實驗1解耦控制系統仿真實驗. . . . . .42純滯后補償控制系統仿真實驗. . .73預測控制系統仿真實驗. .11第一章 前 言本實驗課程是與學科專業基礎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、生產工藝、計算機技術和儀器儀表等知識相結合的一門綜合性應用學科，過程控制系統仿真是架起理論和實踐之間的重要橋梁，是掌握過程系統分析與設計精髓的重要手段。對先進控制系統進行仿真，其不僅可以使學生加強課程的學習效果，而且還可為學生在畢業設計中提供一個強有力的工

2、具，有效加強教學中的實踐性教學環節，提高學生的獨立工作能力和創造性思維能力。開設本課程的目的，主要是培養學生運用MATLAB語言進行過程控制系統設計與分析的能力，為今后從事科研工作和與專業有關的工程技術工作打好基礎。一、上機實驗要求1、要求學生熟悉MATLAB中的控制系統工具箱、預測控制工具箱與與SIMULINK軟件包。2、能根據有關控制算法，編寫有關的MATLAB程序。3、能對實驗結果進行分析和討論，得到相關的實驗結論。二、上機實驗的基本程序：1、明確實驗任務。2、提出實驗方案。3、利用SIMULINK工具建立系統的仿真模型，編制有關的MATLAB程序。4、進行實驗操作，作好觀測和記錄，保存

3、有關的實驗數據。5、整理實驗數據，得出結論，撰寫實驗報告。在進行上機實驗時，上述程序應讓學生獨立完成，教師給予必要的指導，以培養學生的動手能力。要做好各個上機實驗，就應做到：實驗前做準備，實驗中有條理，實驗后勤分析。實驗一 解耦控制系統仿真實驗一、實驗目的了解解耦控制系統的特點和設計方法，掌握前饋補償解耦控制系統、反饋補償解耦控制系統和對角陣解耦控制系統的仿真方法，對采取解耦措施后系統的性能進行分析。 二、實驗方法在MATLAB環境下，進行SIMULINK仿真，分別建立前饋補償解耦控制系統、反饋補償解耦控制系統和對角陣解耦控制系統的仿真框圖，分析解耦調節器的參數設置和簡化方法。對所設計的解耦控

4、制系統進行動態特性分析，并研究系統的魯棒性。三、實驗設備1586以上微機，16M以上內存，400M硬盤空間，2X CD-ROM2MATLAB7及以上版本，含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、實驗內容已知某化學反應過程，通過控制反應過程的溫度和反應釜內壓力變化控制反應過程。可控制輸入、分別為兩物料流量,系統輸出、分別為反應過程溫度和反應釜內壓力。系統輸入輸出之間的傳遞關系為：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進行控制仿真。 五、實驗方法 1.前饋補償解耦控制系統的設計方法 前饋補償是自動控制中最早出現的一種克服干擾的方法，同樣適用于解耦系統。

5、下圖所示為應用前饋補償器來解除系統間耦合的方法。圖1 前饋補償解耦控制系統方框圖 解耦補償裝置和可根據前饋補償原理求得:, 2.反饋補償解耦控制系統的設計方法 反饋補償解耦控制系統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。下圖所示為應用反饋補償器來解除系統間耦合的方法。圖2 反饋補償解耦控制系統方框圖 解耦補償裝置和可根據反饋補償原理求得: , 3.對角陣解耦控制系統的設計方法對角矩陣解耦方法是一種常見的解耦控制方法，尤其對復雜系統應用非常廣泛。其目的是通過在控制系統附加一矩陣，使該矩陣與對象特征矩陣乘積所構成的廣義對象矩陣成為對角矩陣，從而實現系統解耦。下圖所示為對角陣

6、解耦控制系統的方框圖。圖3 對角陣解耦控制系統方框圖根據解耦要求可求得，解耦補償矩陣六、實驗步驟1. 分別進行前饋解耦調節器、反饋補償調節器和對角陣解耦調節器的設計。2. 在MATLAB環境下，分別建立前饋補償解耦控制系統、反饋補償解耦控制系統和對角陣解耦控制系統的仿真框圖。3. 施加階躍輸出，研究反應過程溫度的變化情況。4. 施加階躍輸出，研究反應釜內壓力的變化情況。 5. 分析控制系統的動態性能、穩態性能和魯棒性。七、問題與討論1、解耦控制系統的作用是什么？應用在什么場合？2、解耦控制系統有哪些典型的解耦方案，各方案有何特點？ 3、談談實驗體會。實驗二 純滯后補償控制系統仿真實驗一、實驗目

7、的了解純滯后補償控制系統的特點和設計方法，掌握史密斯預估補償控制系統和改進型史密斯預估補償控制系統的仿真方法，對純滯后補償控制系統的性能進行分析。 二、實驗方法在MATLAB環境下，進行SIMULINK仿真，分別建立史密斯預估補償控制系統、增益自適應史密斯預估補償控制系統和雙控制器補償控制系統的仿真框圖，分析控制器的參數設置方法。對所設計的純滯后補償控制系統進行動態特性分析，并研究系統的魯棒性。三、實驗設備1586以上微機，16M以上內存，400M硬盤空間，2X CD-ROM2MATLAB7及以上版本，含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、實驗內容在估計器無差估計過程模型的理想

8、情況下，分別采用史密斯預估補償控制、增益自適應補償控制和雙控制器補償控制對某一化學反應過程進行仿真。其中，輸入為原料量，輸出為反應所生成的產品質量。系統的數學模型如下：。五、實驗方法1. 史密斯預估補償控制系統的設計史密斯預估補償控制方案針對純滯后系統中閉環特征方程含有純滯后項的特點，在PID反饋的基礎上，引入一個預估補償環節，從而使閉環特征方程方程不含純滯后項，提高了控制質量。設是史密斯引入的預估補償器傳遞函數。為使閉環特征方程不含純滯后，要求。則史密斯預估補償控制系統的Simulink仿真框圖如下所示：圖6 史密斯預估補償控制系統Simulink仿真框圖2. 增益自適應補償控制系統的設計雖

9、然理論上證明了史密斯預估補償控制的良好效果，但在工程應用上仍存在一定的局限性。很多研究者為此提出了不同的改進方案。增益自適應補償控制是在史密斯補償控制基礎上增加了一個除法器、一個一階微分環節和一個乘法器。利用這三個環節根據模型和過程輸出信號之間的比值提供一個自動校正預估器增益的信號。增益自適應補償控制系統的仿真框圖如下所示。圖8 增益自適應補償控制系統仿真框圖3. 雙控制器補償控制系統的設計雙控制器系統一方面可分離閉環系統的設定值響應和擾動響應，從而同時獲得良好的設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仿真框

10、圖六、實驗步驟1. 分別進行史密斯預估補償控制系統、增益自適應補償控制系統和雙控制器補償控制系統的設計。2. 在MATLAB環境下，分別建立史密斯預估補償控制系統、增益自適應補償控制系統和雙控制器補償控制系統的仿真框圖。3. 施加階躍輸出，研究系統輸出的變化情況。4. 分析控制系統的動態性能、穩態性能和魯棒性。七、問題與討論1、滯后控制系統的作用是什么？應用在什么場合？2、滯后控制系統可分為什么類型，各有什么特點？ 3、談談實驗體會。實驗三 預測控制系統仿真實驗一、實驗目的學會在MATLAB環境下根據預測控制的原理圖，建立預測控制系統的仿真模型；掌握預測控制器參數設計的方法，編寫MATLAB程

11、序來設置預測控制器的參數，并對預測控制系統的性能進行分析。 二、實驗方法在MATLAB環境下，進行SIMULINK仿真，建立預測控制系統的仿真框圖，對控制器的參數進行設計。對所設計的預測系統進行動態特性分析，并研究系統的魯棒性。三、實驗設備1586以上微機，16M以上內存，400M硬盤空間，2X CD-ROM2MATLAB5.3以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、實驗內容雙容水箱是工業過程控制中常見的液位被控對象，如下圖所示。系統的輸入為閥門開度變化量，輸出為下箱液位的變化量，已知輸入與輸出的傳遞關系為：，要求為該對象設計一個DMC控制器，在MATLAB環境下進行仿真，研

12、究所設計的預測控制系統的性能。圖11 雙容水箱示意圖五、實驗方法DMC算法是一種基于對象階躍響應的預測控制算法，它適用于漸進穩定的線性裝置。DMC算法包括預測模型、在線反饋校正、滾動優化等幾部分。動態矩陣算法控制結構圖如下所示。圖12 動態矩陣算法控制結構圖根據此結構圖可建立如下圖所示的Simulink仿真框圖，其中動態矩陣、控制向量、誤差校正向量、移位陣等參數根據DMC算法原理編制MATLAB程序求出。程序的步驟如下：（1）檢測對象的階躍響應，并經光滑后得到模型系數，然后求出動態矩陣；（2）根據以下公式計算控制系數（3）選擇校正系數，設置移位陣；（4）取中前個元素算出；（5）設定參考軌跡。

13、（6）啟動DMC系統的Simulink仿真模型，進行仿真。 圖13 DMC系統Simulink仿真框圖六、實驗步驟1. 進行動態矩陣控制器（DMC）的參數設計，編寫相關MATLAB程序，求出DMC控制器的參數。2. 在MATLAB環境下，建立預測控制系統的仿真框圖。3. 施加階躍輸出，研究系統輸出的變化情況。4. 分析控制系統的動態性能、穩態性能和魯棒性。 七、問題與討論1、預測控制的基本原理是什么？2、DMC算法包括哪幾部分？有什么優點？ 3、談談實驗體會。%dmcfuzhi.mclearsys=tf(1,conv(80 1,80 1),'OutputDelay',10 );

14、tt=0:10:490;y=step(sys,tt); %獲得對象階躍響應的采樣值Ts=10; %采樣周期N=length(y)-1 a=y(2:length(y),1); %獲得階躍響應模型P=9 %指定優化時域M=1 %指定控制時域for j=1:M for i=j:P A(i,j)=a(i+1-j); endend A %求動態矩陣Q=eye(P);Q(1,1)=0; %控制權矩陣參數設定R=0*eye(M) %約束權矩陣參數設定c=zeros(M,1);c(1)=1;dtao=c'*inv(A'*Q*A+R)*A'*Q %計算控制向量ctao=zeros(1,N);ctao(1)=1 %用于求向量的第一個元素alfa=1; %取=1h1(1)=1;h1(2:N,1)=alfa; %誤差校正向量取S1=eye(N-1);S1=zeros(N-1,1) S1;S1(N,N)=1;S=S1; %設置移位陣PN=eye(P) zeros(P,N-P); %取中前個元素算出W=ones(P,1); %設定參考軌跡%dmcjieguo.msys=tf(1,conv(80 1,80 1),