复杂过程控制系统设计与Simulink仿真

银河航空航天大学课程设计（论文）题目复杂过程控制系统设计与Simulink仿真班级学号学生姓名指导教师目录0. 前言 (1)1. 总体方案设计 (2)2. 三种系统结构和原理 (3)2.1 串级控制系统 (3)2.2 前馈控制系统 (3)2.3 解耦控制系统 (4)3. 建立Simulink模型 (5)3.1 串级 (5)3.2 前馈 (5)3.3 解耦 (7)4. 课设小结及进一步思想 (15)参考文献 (15)附录设备清单 (16)复杂过程控制系统设计与Simulink仿真姬晓龙银河航空航天大学自动化分校摘要：本文主要针对串级、前馈、解耦三种复杂过程控制系统进行设计，以此来深化对复杂过程控制系统的理解，体会复杂过程控制系统在工业生产中对提高产品产量、质量和生产效率的重要作用。

建立Simulink模型，学习在工业过程中进行系统分析和参数整定的方法，为毕业设计对模型进行仿真分析及过程参数整定做准备。

关键字：串级；前馈；解耦；建模；Simulink。

0.前言单回路控制系统解决了工业过程自动化中的大量的参数定制控制问题，在大多数情况下这种简单系统能满足生产工艺的要求。

但随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这便使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高。

为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统“复杂”一些的控制系统，如串级控制（双闭环控制）、前馈控制大滞后系统控制（补偿控制）、比值控制（特殊的多变量控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多变量解耦控制（多输入多输出解耦控制）等等。

从结构上看，这些控制系统由两个以上的回路构成，相比单回路系统要多一个以上的测量变送器或调节器，以便完成复杂的或特殊的控制任务。

这类控制系统就称为“复杂过程控制系统”，以区别于单回路系统这样简单的过程控制系统。

计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统随时间变化的过程。

通过对过程仿真的分析，得到被仿真系统的动态特性。

过程控制系统计算机仿真，为流程工业控制系统的分析、设计、控制、优化和决策提供了依据。

同时作为对先进控制策略的一种检验，仿真研究也是必不可少的步骤。

控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算机数学与计算机技术的综合性学科。

控制系统仿真是以控制系统的模型为基础，主要用数学模型代替实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种方法。

在进行计算机仿真时，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。

随着系统规模的越来越大，先进过程控制的出现，就需要行的功能强大的仿真平台Math Works公司为MATLAB提供了控制系统模型图形输入与仿真工具Simulink，这为过程控制系统设计与参数整定的计算与仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发生了革命性的变化。

1.总体方案设计本次设计共分为三个部分，分别对串级、前馈、解耦三个复杂过程控制系统进行设计。

首先研究各复杂控制系统的结构以及工作原理原理，画出它们的原理框图，分析这些系统的特点，包括其被控过程的动态特性、对扰动的抗干扰能力等等，然后对这些系统进行具体设计，建立SImulink模型，然后选择合适的工业过程进行参数整定及系统分析。

总体方案如图1所示：图1 课程设计整体方案设计2. 三种系统结构和原理2.1 串级控制系统控制系统具有多个控制器和一个执行机构，这些控制器被一个一个地串联起来，前一个控制器的输出就是后一个控制器的设定值，其执行机构由最后一个控制器控制，这种系统被称为串级控制系统。

串级控制系统的基本组成如图2所示：图2 串级控制系统的基本组成为了提高系统性能，在以1c 为被控量的被控对象中适当选取另一个可测变量2c 为中间变量，2c 称为副被控量，也称副参数，相对于2c 把1c 称为主被控量，也称主参数。

以2c 为分界，把整个受控过程分成两个组成部分，以2c 为输出的部分称为副对象，而以2c 为输入的部分称为主对象。

主被控量和副被控量通过各自的控制器构成闭环控制。

副被控量的控制回路在内，其设定值就是主控制器的输出，而副控制器的输出就直接控制控制阀，这两个控制回路称为内环和外环。

通常把作用在主对象上的扰动1q 称为一次扰动，作用在副回路上的扰动2q 称为二次扰动。

2.2 前馈控制系统前馈控制是针对扰动量及其变化进行控制的。

其原理图如图3：图3 前馈控制原理图在前馈控制中，)(s G f (s)3G 为干扰源至系统输出的干扰通道传递函数；)(s G d 为前馈调节器函数；)()(32s G s G 为干扰源至系统输出的控制通道传递函数；(s)1G 为给定环节传2c2q1q可测干扰递函数。

系统输出为：Y=X·(s)1G )()(32s G s G +M()(s G d (s)2G +)(s G f )(s)3G 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，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量影响的叠加消除和减小干扰的影响。

2.3 解耦控制系统解耦方法有很多方法，这里只说前馈补偿解耦设计。

过程可以表示为)()()()()(y 2121111s u s W s u s W s += )()()()()(2221212s u s W s u s W s y +=若令 2112121111)()()()()()()(u s W s W s u s W s u s W s y FF ++= 而又满足 0)()()(11FF 12=+s W s W s W 则有 )()()(1111s u s W s y =而同理令)()()()()()()()(22212211212s u s W s u s W s W s u s W s y FF ++=可得 )()()(2222s u s W s y =这样就实现了过程解耦，式（1）和式（2)为补偿器结构，它和串联补偿不同，采用的是前馈补偿的不变性原理。

其系统构成如图4所示：)()()(11122s W s W s W FF -=)()()(22211s W s W s W FF -=（1）（2）3. 建立Simulink 模型3.1 串级以隧道窑系统对象进行仿真研究。

考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统中主、副对象的传递函数1o G 和2o G 分别为：主、副控制器的传递函数1c G 和2c G 为：建立系统的Simulink 模型如图5所示：图5 串级控制时系统的Simulink 模型在图5中，q1为一次扰动，取阶跃信号；q2为二次扰动，取阶跃信号；PID C1为主控制器，采用PID 控制；PID C2为副控制器，采用PID 控制；2o G 为副对象；1o G 为主对象；r 为系统输入，取阶跃信号；c 为系统输出，它连接到示波器上，可以方便的观测输出。

3.2 前馈这里进行前馈—反馈复合控制系统仿真。

前馈—反馈复合控制系统仿真主要包括：系统辨识、控制系统整定和系统仿真等内容。

假设被控对象的干扰通道传递函数为：221)1)(110(1)(;)13)(130(1)(++=++=s s s G s s s G o o 22111)();11(c c c c K s G sT K G =+=s e s s s G s G 10)110)(18(15)()(-++=系统被控部分传递函数为：s e s s s G s G 8)110)(15(6)()(-++=给定部分传递函数为：1)(=s G c采用前馈、反馈分别整定的方法，前馈整定参数为5.2-=d K ，8,521==d d T T 。

若系统采用PID 控制，则系统结构框图如图6所示:图6 前馈—反馈复合控制系统方框图系统稳定性分析是实验调试中正确把握试验方法、试验参数的基本依据。

对图5所示系统反馈环节开环稳定性进行分析（不含PID 调节器部分），为分析方便取：s e e s s 311133+≈=- se e s s511155+≈=- 不含PID 调节器的开环传递函数可近似写成：)110()15)(13(62+++s s s可见开环系统不稳定。

可测干扰 M(s)反馈控制器取为PI 形式。

采用阶跃响应法整定PI 参数。

开环阶跃响应SImulink 框图如图7所示：图7 开环阶跃响应Simulink 框图其中阶跃输入控制量1=∆u ，因此得：利用各整定参数及系统模型辨识结果构建系统前馈—反馈复合控制Simulink 框图如图8所示：图8 系统前馈—反馈复合控制Simulink 框图3.3 解耦这里进行前馈补偿解耦控制仿真。

以锅炉燃烧系统为对象，可控制输入量为燃料流量29.09.0=⋅∆⋅∆⋅=Ly Tu K p 009.03==LK K PI和助燃空气流量，被控量和温度，为系统蒸汽压采用参数前馈补偿解耦法对噶系统进行仿真。

此为双输入双输出系统，初步选择输入x1、x2分别对应输出y1、y2。

经辨识，得系统输入、输出的传递关系为：由式（3）的系统静态放大系数矩阵为：即系统的第一放大系数矩阵为：系统的相对增益矩阵为：由相对增益矩阵可以看出，控制系统输入、输出的配对选择是错误的，应调换。

为了表述方便，调换后仍用输入x1(原x2)、x2(原x1)分别对应输出y1、y2，输入、输出之间的传递关系为：输入、输出重新匹配后，系统输入、输出结构如图9所示：(3)⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡1.055.0122211211k k k k ⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡++++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡)()(191.01125125.0131)()(2121s X s X s s s s S Y S Y ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=1.055.012221121122211211k k k k p p p p P ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=Λ04.104.104.104.0⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡++++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡(s)X (s)1s 1251s 91.01s 311s 25.0(s)(s)2121X Y Y (4)(5)(6)(7)图9 重新匹配后的系统耦合关系可求得相对增益矩阵为：由式(8)知,输入x1、x2分别对输出y1、y2的控制能力接近于1，通道间相互耦合接近零。

如不强调系统的动态跟随特性，只考虑稳态特性，则系统的两个通道耦合很弱不需要解耦。

但如果考虑动态情况，由于系统纯在耦合，则容易形成正反馈，应对系统进行耦合分析。

本次选择前馈方式实现解耦，前馈解耦控制器分别为：(1X 2X ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=Λ04.104.004.004.1(8)1324)(12++-=s s s G p (9))19(50112)(21++-=s s s G p (10)采用前馈解耦后，系统的结构图如图10所示：图10 采用前馈耦合后系统结构解耦前后系统的Simulink 阶跃仿真框图如图11所示：1s 25.0+ 1s 91.0+1s 31+ 1s 125+50450112++s s 1324++s s 输入)(1s X输入)(2s X+ __ ++++ +输出 )(1s Y输出)(2s Y前馈补偿被控耦合系统(a)系统不纯在耦合的Simulink仿真框图(b) 系统耦合Simulink仿真框图(c) 利用前馈补偿实现系统耦合的Simulink仿真框图图11 系统解耦状态对比Simulink仿真框图图11(a)为系统无耦合的Simulink阶跃仿真框图；图11(b)为系统耦合时Simulink阶跃仿真框图；图11(c)为系统采用前馈耦合后的Simulink阶跃仿真框图。