第四章 MATLAB与过程控制系统仿真
第一节 过程控制的基本概念
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。
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例2 假设系统从动量传递函数为
3 G (s) e 5t 15 s 1
设计该从动对象的单闭环比值控制系统。
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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=0.02）
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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。 MATLAB与系统仿真
Simout模块的设置：
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输出曲线
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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。
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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；
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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。
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。
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3.1.1 系统结构
Gd
Gf G2
（XGpG1G2G3 MG f ） G3 Y 1 FGpG1G2G3
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。 MATLAB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 MATLAB与系统仿真 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。
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五、控制器的参数整定
1、过渡过程参数整定 2、经验法
3、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
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第三节
复杂控制系统仿真
D2(s)
一、串级控制系统仿真
R1(s) _ Gc1(s) R2(s) u1 _ Gc2(s) PID2 PID1 G2(s) Y2(s) G1(s) Y1(s)
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。
串级控制的主要优点可概括如下： 1．将干扰加到副回路中，由副回路控制对其进行抑制； 2．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； 3．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；
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例1 设副对象特性为 G2 (s) 1/(T02 s 1) ，主对象特性为
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仿真模型：
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输出曲线
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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。
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二、过程控制的组成
1—锅筒
2—省煤器
锅炉水位控制原理图 3—过热器 4—给水阀门
5—蒸汽阀门 MATLAB与系统仿真
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。
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2.2
比值控制系统的MATLAB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。
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。
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串级控制系统的结构特点： 1．由两个或两个以上的控制器串联而成，一个控制器的输c 出是另一个控制器的设定。 2．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。 3．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。
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单回路控制系统 1—液位变送器 2—液位控制器 3—执行器
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单回路液位控制系统
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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。
串级控制的阶跃响应
常规PID控制的阶跃响应
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二、比值控制系统仿真