復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真

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(tǒng)設計與Simulink仿真班級學號學生姓名指導教師0.前言11 .總體方案設計22 .三種系統(tǒng)結構和原理32.1 審級控制系統(tǒng)32.2 前饋控制系統(tǒng)32.3 解耦控制系統(tǒng)43 .建立Simulink模型53.1 申級53.2 前饋53.3 解耦74 .課設小結及進一步思想15參考文獻15附錄設備清單16銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真姬曉龍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(tǒng)進行設計，以此來深化對復雜過程控制系統(tǒng)的理解，

2、體會復雜過程控制系統(tǒng)在工業(yè)生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(yè)過程中進行系統(tǒng)分析和參數(shù)整定的方法，為畢業(yè)設計對模型進行仿真分析及過程參數(shù)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(tǒng)解決了工業(yè)過程自動化中的大量的參數(shù)定制控制問題，在大多數(shù)情況下這種簡單系統(tǒng)能滿足生產工藝的要求。但隨著現(xiàn)代工業(yè)生產過程的發(fā)展，對產品的產量、質量，對提高生產效率、降耗節(jié)能以及環(huán)境保護提出了更高的要求，這便使工業(yè)生產過程對操作條件要求更加嚴格、對工藝參數(shù)要求更加苛刻，從而對控制系統(tǒng)的精度和功能要求更高。為此，需要在單回路的基礎上，采

3、取其它措施，組成比單回路系統(tǒng)“復雜”一些的控制系統(tǒng)，如用級控制（雙閉環(huán)控制）、前饋控制大滯后系統(tǒng)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(tǒng)由兩個以上的回路構成，相比單回路系統(tǒng)要多一個以上的測量變送器或調節(jié)器，以便完成復雜的或特殊的控制任務。這類控制系統(tǒng)就稱為“復雜過程控制系統(tǒng)”，以區(qū)別于單回路系統(tǒng)這樣簡單的過程控制系統(tǒng)。計算機仿真是在計算機上建立仿真模型，模擬實際系統(tǒng)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(tǒng)的動態(tài)特性。過程控制系統(tǒng)計算機仿真，為流程工業(yè)控制系統(tǒng)的分析、設計、

4、控制、優(yōu)化和決策提供了依據(jù)。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?？刂葡到y(tǒng)的計算機仿真是一門涉及到控制理論、計算機數(shù)學與計算機技術的綜合性學科。控制系統(tǒng)仿真是以控制系統(tǒng)的模型為基礎，主要用數(shù)學模型代替實際控制系統(tǒng)，以計算機為工具，對控制系統(tǒng)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(tǒng)規(guī)模的越來越大，先進過程控制的出現(xiàn)，就需要行的功能強大的仿真平臺MathWorks公司為MATLAB提供了控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具Simulink,這為過程控制系統(tǒng)設計與參數(shù)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(tǒng)的設計

5、與整定發(fā)生了革命性的變化。銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真1 .總體方案設計本次設計共分為三個部分，分別對申級、前饋、解耦三個復雜過程控制系統(tǒng)進行設計。首先研究各復雜控制系統(tǒng)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(tǒng)的特點，包括其被控過程的動態(tài)特性、對擾動的抗干擾能力等等，然后對這些系統(tǒng)進行具體設計，建立SImulink模型，然后選擇合適的工業(yè)過程進行參數(shù)整定及系統(tǒng)分析?？傮w方案如圖1所示：圖1課程設計整體方案設計銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真2 .三種系統(tǒng)結構和原理2.1 用級控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)具有多個

6、控制器和一個執(zhí)行機構，這些控制器被一個一個地串聯(lián)起來，前一個控制器的輸出就是后一個控制器的設定值，其執(zhí)行機構由最后一個控制器控制，這種系統(tǒng)被稱為審級控制系統(tǒng)。用級控制系統(tǒng)的基本組成如圖2所示：圖2串級控制系統(tǒng)的基本組成為了提高系統(tǒng)性能，在以ci為被控量的被控對象中適當選取另一個可測變量C2為中間變量，C2稱為副被控量，也稱副參數(shù)，相對于C2把C1稱為主被控量，也稱主參數(shù)。以C2為分界，把整個受控過程分成兩個組成部分，以C2為輸出的部分稱為副對象，而以C2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(huán)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

7、直接控制控制閥，這q1稱為一次擾動，作用在副兩個控制回路稱為內環(huán)和外環(huán)。通常把作用在主對象上的擾動回路上的擾動q2稱為二次擾動。3:輸出Y2.2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制是針對擾動量及其變化進行控制的。具原理圖如圖可測干擾在前饋控制中，Gf(s)G3(s)為干擾源至系統(tǒng)輸出的干擾通道傳遞函數(shù)；Gd(s)為前饋調節(jié)器函數(shù)；G2(s)G3(s)為干擾源至系統(tǒng)輸出的控制通道傳遞函數(shù)；Gi(s)為給定環(huán)節(jié)傳銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真遞函數(shù)。系統(tǒng)輸出為:Y=XG1(s)G2(s)G3(s)+M(Gd(s)G2(s)+Gf(s)G3(s)干擾對系統(tǒng)的作用是通過干擾通

8、道進行的，前饋的控制原理是給系統(tǒng)附加一個前饋通道，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量影響的疊加消除和減小干擾的影響。2.3解耦控制系統(tǒng)解耦方法有很多方法，這里只說前饋補償解耦設計。過程可以表示為yi(s)Wii(s)Ui(s)Wi2(s)u2(s)y2(s)W2i(s)Ui(s)W22(s)U2(s)若令yi(s)Wi(s)ui(s)皿2(s)U2(s)Wff(s)Wii(s)u2而又滿足W2(s)WFF(s)W11(s)0則有yi(s)Wii(s)ui(s)而同理令Wff2(S)WFF1(s)W(S)Wi(s)W2i(S)W22(s)(1)(2)

9、可得y2(s)W21(s)u1(s)WFF1(s)W22(s)u1(s)W22(s)u2(s)y2(s)W22(s)u2(s)這樣就實現(xiàn)了過程解耦，式(1)和式(2)為補償器結構，它和串聯(lián)補償不同，采用的是前饋補償?shù)牟蛔冃栽怼Ｆ湎到y(tǒng)構成如圖4所示：同4前饋補償法廨耦穆圖銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真3.建立Simulink模型3.1申級以隧道窯系統(tǒng)對象進行仿真研究?？紤]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(tǒng)中主、副對象的傳遞函數(shù)Go1和Go2分別為：Goi(s)1(30s1)(3s1)；Go2(s)1(10s1)(s

10、1)2主、副控制器的傳遞函數(shù)Gc1和Gc2為:-1-Gc1Kc1(1)；Gc2(s)Kc2T1s建立系統(tǒng)的Simulink模型如圖5所示:在圖5中，q1為一次擾動，取階躍信號；q2為二次擾動，取階躍信號；PIDC1為主控制器，采用PID控制；PIDC2為副控制器，采用PID控制；Go2為副對象；Go1為主對象；r為系統(tǒng)輸入，取階躍信號；c為系統(tǒng)輸出，它連接到示波器上，可以方便的觀測輸出。3.2 前饋這里進行前饋一反饋復合控制系統(tǒng)仿真。前饋一反饋復合控制系統(tǒng)仿真主要包括：系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)整定和系統(tǒng)仿真等內容。假設被控對象的干擾通道傳遞函數(shù)為：銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與S

11、imulink仿真系統(tǒng)被控部分傳遞函數(shù)為:G(s)G(s)15(8s1)(10s1)10seG(s)G(s)(5s1)(10s8s一e1)給定部分傳遞函數(shù)為:Gc(s)1采用前饋、反饋分別整定的方法，前饋整定參數(shù)為統(tǒng)采用PID控制，則系統(tǒng)結構框圖如圖6所示：2.5,Td15,Td28。若系可測干擾圖6前饋一反饋復合控制系統(tǒng)方框圖Kd系統(tǒng)穩(wěn)定性分析是實驗調試中正確把握試驗方法、試驗參數(shù)的基本依據(jù)。對圖5所示系統(tǒng)反饋環(huán)節(jié)開環(huán)穩(wěn)定性進行分析（不含PID調節(jié)器部分），為分析方便取:3se5se13se15se113s115s不含PID調節(jié)器的開環(huán)傳遞函數(shù)可近似寫成:-2(3s1)(5s1)(10s1)

12、可見開環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真圖7開環(huán)階躍響應Simulink框圖其中階躍輸入控制量u1,因此得:Kp0.9uTyL0.29KpKIP0.0093L利用各整定參數(shù)及系統(tǒng)模型辨識結果構建系統(tǒng)前饋一反饋復合控制Simulink框圖如示:圖8系統(tǒng)前饋一反饋復合控制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(tǒng)為對象，可控制輸入量為燃料流量銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真和助燃空氣流量，被控量和溫度，為系統(tǒng)蒸汽壓采用參數(shù)前饋補償解耦法對喝系統(tǒng)進行仿真。此為雙輸入雙輸出系統(tǒng)，初

13、步選擇輸入x1、x2分別對應輸出y1、y20經辨識，得系統(tǒng)輸入、輸出的傳遞關系為：10.5Y(S)3s12s1Xi(s)Y2(S)50.1X2(s)12s19s1由式（3）的系統(tǒng)靜態(tài)放大系數(shù)矩陣為:kiiki210.5k2ik2250.1即系統(tǒng)的第一放大系數(shù)矩陣為：pP11Pi2knk1210.5P21P22k2ik2250.1系統(tǒng)的相對增益矩陣為：0.041.041.041.04(4)(6)由相對增益矩陣可以看出，控制系統(tǒng)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yi、y2,輸入、輸出之間的傳遞關系為：Y1(s)Y2(s)0.

14、512s13s1Xi(s)0.15X2(s)9s112s1輸入、輸出重新匹配后，系統(tǒng)輸入、輸出結構如圖9所示:銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真圖9重新匹配后的系統(tǒng)耦合關系可求得相對增益矩陣為：(8)1.040.040.041.04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(tǒng)的動態(tài)跟隨特性，只考慮穩(wěn)態(tài)特性，則系統(tǒng)的兩個通道耦合很弱不需要解耦。但如果考慮動態(tài)情況，由于系統(tǒng)純在耦合，則容易形成正反饋，應對系統(tǒng)進行耦合分析。本次選擇前饋方式實現(xiàn)解耦，前饋解耦控制器分別為：Gp4)4s23s1(9)Gp21(

15、s)12s150(9s1)(10)銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真采用前饋解耦后，系統(tǒng)的結構圖如圖10所示:被控耦合系統(tǒng)前饋補償輸出Yi(s)輸出Y2（s）圖10采用前饋耦合后系統(tǒng)結構解耦前后系階躍仿真框圖如統(tǒng)的Simulink圖11所示：第10頁銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真(a)系統(tǒng)的真框圖不純在耦合Simulink仿3s.*1TrarrsfeirFen2Step1TransferF(n3(b)系統(tǒng)耦合Simulink仿真框圖第11頁圖11(a)為系統(tǒng)無耦合的Simulink階躍仿真框圖；圖11(b)為系統(tǒng)耦合時

16、Simulink階0PID應銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真(c)利用前饋補償實現(xiàn)系統(tǒng)耦合的Simulink仿真框圖圖11系統(tǒng)解耦狀態(tài)對比Simulink仿真框圖躍仿真框圖；圖11(c)為系統(tǒng)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(tǒng)已可看成兩個獨立的單輸入單輸出系統(tǒng)?？紤]到用的廣泛性和系統(tǒng)無靜差要求，控制器采用PI形式。PI參數(shù)整定通過解耦的兩個單輸入單輸出系統(tǒng)進行。其Simulink框圖分別如圖12所示。整定米用試誤法。(a) x1y1通道PI整定Simulink框圖第12頁銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與S

17、imulink仿真(b) x2y2通道PI整定Simulink框圖圖12系統(tǒng)解耦后各通道獨立整定Simulink框圖實現(xiàn)完全解耦的系統(tǒng)可以分別用兩個單輸入單輸出系統(tǒng)仿真。但為了從整體角度進步管擦解耦情況，仿真時按整體進行如圖13所示：(a)PI模塊的結構第13頁銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真a二7Tnniftr-cr1TrarEf&rFcilPI12s+T4s+5TraHsf#rFenlFrar=terI-cn3125+1TrarEfErFgn5mnrl凸eHunrgHOoritiiHt34*1(b)解耦時系統(tǒng)的Simulink仿真框圖Cotfu

18、fSPIS1ECorstariElPI4129*1Trai'jftifur5NondigEHiu.TiiLefllrfflnitfrrFer3Js*iTrgn.sfcj；Fqt，HardamNu'rnher(c)不解耦時系統(tǒng)的Simulink仿真框圖圖13系統(tǒng)解耦與不解耦時，系統(tǒng)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(tǒng)的Simulink仿真框圖，圖13(c)為不解耦時系統(tǒng)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1的隨機擾動。第14頁銀河航空航天大學課程設計論文復雜過程控制系統(tǒng)設計與Simulink仿真4.課設小結及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Ma