过程控制系统仿真
第四章 MATLAB与过程控制系统仿真.
MATLAB与系统仿真
例1 设副对象特性为 G2 (s) 1/(T02 s 1) ，主对象特性为
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。
MATLAB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
过程控制系统仿真实习报告
过程控制系统仿真实习报告一、实习目的与要求本次实习旨在通过使用MATLAB/Simulink仿真工具，对过程控制系统进行仿真研究，加深对控制理论的理解，提高控制系统设计和分析的能力。
实习要求如下：1. 熟练掌握MATLAB/Simulink的基本操作和仿真功能。
2. 了解过程控制系统的原理和常见控制策略。
3. 能够运用MATLAB/Simulink对过程控制系统进行建模、仿真和分析。
二、实习内容与过程1. 实习准备在实习开始前，先对MATLAB/Simulink进行学习和了解，掌握其基本的使用方法和功能。
同时，对过程控制系统的原理和常见控制策略进行复习，为实习做好充分的准备。
2. 实习过程(1) 第一个仿真项目：水箱液位控制系统在这个项目中，我们首先建立水箱液位的数学模型，然后根据该模型在Simulink中搭建仿真模型。
我们分别设计了单容、双容和三容水箱的液位控制系统，并分析了控制器参数对系统过渡过程的影响。
通过调整控制器参数，我们可以得到满意的控制效果。
(2) 第二个仿真项目：换热器温度控制系统在这个项目中，我们以换热器温度控制系统为研究对象，根据自动控制系统的原理，利用降阶法确定对象的传递函数。
在Simulink中，我们搭建了单回路、串级和前馈-反馈控制系统模型，并采用常规PID、实际PID和Smith预测器对系统进行仿真。
通过对比不同控制策略的仿真曲线，我们分析了各种控制策略的优缺点。
(3) 第三个仿真项目：基于模糊PID的控制系统在这个项目中，我们以工业锅炉燃烧过程控制系统为研究对象，利用模糊PID控制器优化锅炉燃烧过程控制系统的主要三个子系统：蒸汽压力控制系统、炉膛负压控制系统、燃料与空气比值系统的被控对象的函数。
通过仿真，我们优化了控制器的参数，使得系统在加入扰动后能够快速恢复稳定的状态。
三、实习收获与体会通过本次实习，我对MATLAB/Simulink仿真工具有了更深入的了解，掌握了其在过程控制系统仿真中的应用。
过程控制仿真实验
过程控制仿真实验1.背景在现代计算机系统中，多任务操作系统可以同时运行多个进程或任务。
这些进程之间可能存在资源竞争和冲突，并需要操作系统进行合理的调度和控制。
过程控制是指操作系统对这些进程的控制和管理，以确保它们按照一定的顺序和优先级进行执行，达到系统的稳定和高效运行。
因此，了解和掌握过程控制的原理和机制对于设计和优化计算机操作系统至关重要。
2.目的过程控制仿真实验的目的是通过模拟和仿真操作系统的过程控制流程来深入理解和掌握过程控制的原理和机制。
通过实际操作和观察，可以更好地理解和分析进程的调度、同步和通信等问题，从而提高操作系统的性能和可靠性。
3.方法3.1设计实验任务首先需要确定实验的任务和目标。
例如，可以设计一个进程调度实验，要求模拟操作系统对多个进程进行调度的过程。
3.2编写模拟程序根据实验任务，编写一个模拟程序，该程序包含多个进程或任务。
每个进程都有自己的优先级、执行时间和资源需求等属性。
同时，编写相应的调度算法，如先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）或轮转调度（RR）等。
3.3运行模拟程序在计算机上运行模拟程序，并观察和记录每个进程的执行情况。
可以使用图形界面或命令行界面显示进程状态、执行时间和资源占用等信息。
3.4分析和讨论结果根据模拟程序的运行结果，分析和讨论进程的调度和执行顺序。
比较不同调度算法的性能和效果，并提出改进意见和建议。
4.结果4.1不同调度算法的性能差异通过比较模拟程序在不同调度算法下的运行结果，可以分析和比较它们的性能差异。
例如，FCFS算法可能导致一些进程等待时间过长，而RR算法可以较好地平衡进程的执行时间。
4.2进程同步和通信的问题在模拟程序中，可以设置一些资源竞争和冲突的情况，以测试操作系统对进程同步和通信的处理能力。
通过观察和分析进程之间的互动和通信情况，可以发现潜在的问题和改进的方向。
4.3操作系统的优化建议通过实验结果和分析，可以提供一些针对操作系统的优化建议。
基于MATLAB的过程控制系统仿真研究毕业设计论文
毕业设计论文基于MATLAB的过程控制系统仿真研究摘要水箱和换热器是过程控制中的典型对象，本设计主要以水箱液位控制系统和换热器温度控制系统为例，通过建立数学模型，确定对象的传递函数。
利用Matlab的Simulink 软件包对系统进行了仿真研究，并对仿真结果进行了深入的分析。
在水箱液位控制系统中，通过建立数学模型以及实验中对实验数据的分析，分别确定了单容、双容、三容水箱对象的传递函数。
在simulink软件包中建立了各系统的仿真模型。
通过对仿真曲线的研究，分析了控制器参数对系统过渡过程的影响。
在换热器温度控制系统中，根据自动控制系统工艺过程，利用降阶法确定了对象的传递函数。
在软件包Simulink中搭建了单回路、串级、前馈—反馈控制系统模型，分别采用常规的PID、实际PID和Smith预估器对系统进行了仿真研究，通过仿真曲线的比较，分析了各种控制系统的特点。
关键词：过程控制；MATLAB；仿真；水箱；换热器Simulation and Research of Process Contro1System Based on MATLABAbstractWater tank and Heat exchanger are typical object in the process control in the design,The control system of tank level and heat interchange is used as an example.The transfer function object is defined by setting up the mathematical model.I carry on simulation research on the system by using Matlab’s simulink simulation.and deeply analyze the result of the simulation.In the system, which control the level of the tank. The transfer function of a single-tank, double-tank, three-tank is defined by setting up mathematical model and analyzing date. Simulation model of all system set up simulink simulation. The effect that controller parameter composes on the system is analyzed through the research on the simulation cuvers.In the control system of heat inter change. The design uses reduction method and defines the transfer function of the object.according to the technical process in the automatic system.The control system model of single loop, cascade, feed forward-feedback is established. Simulation research on there system is carried on through using conventional PID, the actual PID and Smith predictor , While the characteristics those control system are compared.Key words: Process Control; Matlab;Simulation; Water tanks; Heat exchanger目录摘要 (II)Abstract (III)第一章引言 (1)1.1 过程控制简介 (1)1.2 过程控制的发展 (1)1.3 控制系统仿真的含义 (2)1.4 矩阵实验室Matlab简介 (2)1.5 动态系统软件包Simulink简介 (3)1.6 控制系统仿真的一般步骤 (4)第二章过程控制系统概述 (5)2.1 过程控制中常见的控制系统 (5)2.1.1 单回路控制系统 (5)2.1.2 串级控制系统 (5)2.1.3 前馈控制系统 (6)2.1.4 前馈—反馈控制系统 (6)2.2 通道特性对控制质量的影响 (7)2.2.1 干扰通道特性对控制质量的影响 (7)2.2.2 控制通道特性对控制质量的影响 (8)2.3 控制器参数对系统的影响 (9)2.4 控制器控制规律的选择 (9)2.5 控制器参数整定 (10)第三章液位控制系统的仿真研究 (11)3.1 单容水箱液位控制系统 (11)3.1.1 单容水箱数学模型 (11)3.1.2 控制方案 (12)3.1.3 单容水箱的Simulink仿真 (13)3.2 双容水箱液位控制系统 (16)3.2.1 双容水箱数学模型 (16)3.2.2 控制方案 (17)3.2.3 双容水箱的Simulink仿真 (18)3.3 三容水箱液位控制系统 (21)3.3.1 三容水箱的系统建模 (21)3.3.2 三容水箱的Simulink仿真 (22)3.4 本章小结 (23)第四章换热器温度控制系统仿真研究 (25)4.1 换热器的数学模型 (25)4.1.1 换热器构造及工作原理 (25)4.1.2 被控参量的选择 (25)4.1.3 被控对象的特性 (26)4.1.4 被控对象数学模型的建立 (27)4.2 单回路控制系统 (30)4.2.1 常规PID控制 (31)4.2.2 实际PID控制系统仿真 (33)4.2.3 史密斯(Smith)预估控制系统仿真 (36)4.3 串级控制系统 (38)4.3.1 串级控制系统结构 (38)4.3.2 串级控制系统的PID仿真 (39)4.3.3 串级控制系统的Smith预估控制 (41)4.4 前馈—串级控制系统 (42)4.4.1 换热器前馈—串级控制的数学模型 (42)4.4.2 前馈控制规律的实施 (43)4.4.3 Simulink仿真 (44)4.5 本章小结 (47)结束语 (48)参考文献 (50)致谢 (52)第一章引言1.1过程控制简介过程控制系统是表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。
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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
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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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。
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例2 假设系统从动量传递函数为
G(s) 3 e5t 15s 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）
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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过程控制系统原理框图
MATLAB与系统仿真
三、生产对过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
第四章MATLAB与过程控制系统仿真
第四章MATLAB与过程控制系统仿真4.1MATLAB在过程控制系统仿真中的作用过程控制系统是指用于控制工艺过程的一种自动化系统，其目标是保持工艺过程的稳定性和优化工艺过程的运行。
在过程控制系统的设计和优化中，仿真是一种重要的工具。
MATLAB作为一种强大的技术计算工具，可以在过程控制系统的仿真中发挥重要的作用。
首先，MATLAB提供了丰富的数学建模和仿真工具，可以对过程控制系统进行系统的建模和仿真分析。
MATLAB提供了各种数学函数和工具箱，可以帮助工程师对过程控制系统进行数学建模，并通过仿真分析系统的动态行为。
通过MATLAB可以方便地进行过程控制系统的建模和仿真分析，分析系统的动态行为，评估系统的性能。
其次，MATLAB还提供了强大的数值计算和优化工具，可以对过程控制系统进行性能优化。
通过MATLAB可以进行系统的参数优化和控制策略优化，以提高系统的稳定性和性能。
MATLAB提供了各种优化函数和工具箱，可以帮助工程师对过程控制系统进行性能优化，实现最优的控制策略。
此外，MATLAB还提供了图形界面开发工具，可以快速开发面向过程控制系统的仿真界面。
MATLAB提供了丰富的图形绘制函数和交互界面设计工具，可以方便地开发出直观、友好的过程控制系统仿真界面，方便工程师进行系统的操作和分析。
总之，MATLAB在过程控制系统仿真中具有重要的作用。
它通过提供数学建模和仿真工具、数值计算和优化工具以及图形界面开发工具，帮助工程师进行系统的建模、仿真分析和性能优化。
MATLAB的使用可以提高过程控制系统的设计效率和优化效果，为工程师提供了强大的工具和方法。
4.2MATLAB在过程控制系统仿真中的具体应用在过程控制系统的仿真中，MATLAB可以应用于多个方面，包括系统建模、参数优化、控制策略设计以及系统性能评估等。
首先，MATLAB可以用于过程控制系统的建模。
MATLAB提供了丰富的数学函数和工具箱，可以帮助工程师对过程控制系统进行数学建模。
《过程控制系统仿真》的课件 第1章 过程控制及仿真概述
1.2 过程控制系统的性能指标
1.2.1 过渡过程性能指标 tp:峰值时间 σP%：超调量 ts：调节时间 n:衰减比 1.2.2 误差性能指标 1．误差积分指标IE 2．误差绝对值积分指标IAE 3．误差平方积分指标ISE 4．误差绝对值乘时间积分指标ITAE
1.3 过程控制理论经验用人工控制生 产过程 20世纪50年代前后，以频率法和根轨迹法的经 典控制理论 20世纪60年代逐渐发展起来并且日趋完善的现 代控制理论 先进控制策略及相应软件主要有：多变量预测 控制、自适应控制、模糊控制及故障诊断、神 经元网络等。
1.4 过程控制系统仿真基础
1.4.1 计算机仿真基本概念 1．模型 模型可以分为以下三类：（1）物理模型；（2）数学模型；（3）仿真模 型 2．仿真系统分类 （1）按模型分类：物理仿真、数学仿真； （2）按计算机类型分类：模拟仿真、数字仿真、混合仿真、现代计算机 仿真。 3．计算机仿真技术发展趋势 （1）硬件方面：提高仿真系统的速度，大大增强数字仿真的实时性。 （2）应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新。 （3）分布式数字仿真：充分利用网络技术进行分布式仿真，投资少，效 果好。 （4）虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、 显示技术以及仿真技术等多学科。
内容提要
本章阐述了过程控制系统及仿真的基本 概念，介绍了过程控制系统的结构、特 点以及过程控制理论的发展现状，过程 控制系统仿真等基础知识。 通过对本章的学习，读者对过程控制系 统仿真的发展现状，以及本书的主要内 容能有初步的认识。
1.1 过程控制系统概述
1.1.1 系统结构
被控对象：指被控制的 生产设备或装置，如上 述进行水位控制的锅炉 传感器和变送器 控制器，也称调节器 执行器 控制阀
过程控制系统仿真实验指导
过程控制系统Matlab/Simulink 仿真实验实验一 过程控制系统建模 (1)实验二 PID 控制 (2)实验三 串级控制 (6)实验四 比值控制 (13)实验五 解耦控制系统 (19)附:子系统封装 (26)实验一 过程控制系统建模指导内容：（略）作业题目一：常见的工业过程动态特性的类型有哪几种？通常的模型都有哪些？在Simulink 中建立相应模型，并求单位阶跃响应曲线。
作业题目二： 某二阶系统的模型为2() 224n G s s s n n ϖζϖϖ=++，二阶系统的性能主要取决于ζ，nϖ两个参数。
试利用Simulink 仿真两个参数的变化对二阶系统输出响应的影响，加深对二阶系统的理解，分别进行下列仿真：（1）2n ϖ=不变时，ζ分别为0.1, 0.8, 1.0, 2.0时的单位阶跃响应曲线；（2）0.8ζ=不变时，n ϖ分别为2, 5, 8, 10时的单位阶跃响应曲线。
实验二 PID 控制指导内容：PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，它根据被控过程的特征确定PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间。
PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：（1） 理论计算整定法主要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接使用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
（2） 工程整定方法主要有Ziegler-Nichols 整定法、临界比例度法、衰减曲线法。
这三种方法各有特点，其共同点都是通过实验，然后按照工程实验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
工程整定法的基本特点是：不需要事先知道过程的数学模型，直接在过程控制系统中进行现场整定；方法简单，计算简便，易于掌握。
a ． Ziegler-Nichols 整定法Ziegler-Nichols 整定法是一种基于频域设计PID 控制器的方法。
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1.6 本章小结
❖ 过程控制系统是工业中控制系统的主要表现形式， 一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为 温度、压力、流量、液位、成分等变量的系统。由 于被控过程的多样性，因此过程控制系统的形式也 多样，相应的控制方案也丰富多彩。
❖ 了解过程控制系统的结构、特点，以及过程控制系 统仿真是学习过程控制时最基础的内容。
过程参数。 ❖ 5．给定值控制是主要的控制形式。
1.1.3 系统分类
❖ 按系统的结构特点进行分类，过程控制 系统可以分为反馈控制系统、前馈控制 系统和复合控制系统。
❖ 按系统的给定值的特点进行分类，过程 控制系统可以分为恒值控制系统、随动 控制系统和程序控制系统。
1.2 过程控制系统的性能指标
1.2.1 过渡过程性能指标 ❖ tp:峰值时间
❖ 通过对本章的学习，读者对过程控制系统仿 真的发展现状，以及本书的主要内容能有初 步的认识。
1.1 过程控制系统概述
1.1.1 系统结构
❖ 被控对象：指被控制的 生产设备或装置，如上 述进行水位控制的锅炉
❖ 传感器和变送器 ❖ 控制器，也称调节器 ❖ 执行器 ❖ 控制阀
1.1.2 系统特点
过程控制系统主要具有以下特点 。 ❖ 1．系统由过程检测控制仪表组成。 ❖ 2．被控过程具有多样性。 ❖ 3．控制方案具有多样性。 ❖ 4．被控过程多属慢过程，控制目标多为
第 1章 过程控制及仿真概述
❖ 1.1 过程控制系统概述 ❖ 1.2 过程控制系统的性能指标 ❖ 1.3 过程控制理论的发展现状 ❖ 1.4 过程控制系统仿真基础 ❖ 1.5 Simulink在过程仿真中的优势
内容提要
❖ 本章阐述了过程控制系统及仿真的基本概念， 介绍了过程控制系统的结构、特点以及过程 控制理论的发展现状，过程控制系统仿真等 基础知识。
❖ 20世纪60年代逐渐发展起来并且日趋完善的现 代控制理论
❖ 先进控制策略及相应软件主要有：多变量预测 控制、自适应控制、模糊控制及故障诊断、神 经元网络等。
1.4 过程控制系统仿真基础
1.4.1 计算机仿真基本概念 ❖ 1．模型 ❖ 模型可以分为以下三类：（1）物理模型；（2）数学模型；（3）仿真模
果好。 ❖ （4）虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、
显示技术以及仿真技术等多学科。
1.4.2 仿真在过程控制中的应用
过程控制系 统仿真包括 以下几个基 本步骤：问 题描述、模 型建立、仿 真实验、结 果分析 。
1.5 Simulink在过程仿真中的优势
在过程控制系统仿真中，Simulink具有先天的优 势。
❖ P%：超调量
❖ ts：调节时间 ❖ n:衰减比 1.2.2 误差性能指标 ❖ 1．误差积分指标IE ❖ 2．误差绝对值积分指标IAE ❖ 3．误差平方积分指标ISE ❖ 4．误差绝对值乘时间积分指标ITAE
1.3 过程控制理论的发展现状
❖ 20世纪40年代之前，主要凭经验用人工控制生 产过程
❖ 20世纪50年代前真系统分类 ❖ （1）按模型分类：物理仿真、数学仿真； ❖ （2）按计算机类型分类：模拟仿真、数字仿真、混合仿真、现代计算机
仿真。 ❖ 3．计算机仿真技术发展趋势 ❖ （1）硬件方面：提高仿真系统的速度，大大增强数字仿真的实时性。 ❖ （2）应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新。 ❖ （3）分布式数字仿真：充分利用网络技术进行分布式仿真，投资少，效
❖ 1．Simulink可以很方便地创建和维护一个完整 的模块，评估不同的算法和结构，并验证系统 的性能。
❖ 2．Simulink模型可以用来模拟线性和非线性、 连续和离散，或者两者的混合系统，也就是说 它可以用来模拟几乎所有可能遇到动态系统。
❖ 3．Simulink没有单独的语言，但是它提供了S 函数规则。S函数使Simulink更加充实、完备， 具有更强的处理能力。