【正文】 ............ 27 被控參量的選擇 ............................................................................................ 28 被控對象的特性 ............................................................................................ 29 被控對象數(shù)學(xué)模型的建立 ............................................................................ 29 單回路控制系統(tǒng) ....................................................................................................... 33 常規(guī) PID 控制 ................................................................................................ 34 實(shí)際 PID 控制系統(tǒng)仿真 ................................................................................ 36 史密斯 (Smith)預(yù)估控制系統(tǒng)仿真 ................................................................ 39 串級(jí)控制系統(tǒng) ........................................................................................................... 41 串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ........................................................................................ 41 串級(jí)控制系統(tǒng)的 PID 仿真 ............................................................................ 42 串級(jí)控制系統(tǒng)的 Smith 預(yù)估控制 ................................................................. 45 前饋 — 串級(jí)控制系統(tǒng) ............................................................................................... 46 換熱器前饋 — 串級(jí)控制的數(shù)學(xué)模型 ............................................................ 46 前饋控制規(guī)律的實(shí)施 .................................................................................... 47 Simulink 仿真 .................................................................................................. 48 本章小結(jié) ................................................................................................................... 51 結(jié)束語 ...................................................................................................................................... 52 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 54 致謝 .......................................................................................................................................... 56 第一章 引 言 過程控制簡介 過程控制系統(tǒng)是 表征生產(chǎn)過程的參量為被控制量使之接近給定值或保持在給定范圍內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。這里 “過程 ”是指在生產(chǎn)裝置或設(shè)備中進(jìn)行的物質(zhì)和能量的相互作用和轉(zhuǎn)換過程。表征過程的主要參量有溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。通過對過程參量的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少 [1]。 過程控制的發(fā)展 在現(xiàn)代工業(yè)控制中 , 過程控制技術(shù)是一歷史較為久遠(yuǎn)的分支。在本世紀(jì) 30 年代就已有應(yīng)用。過程控制技術(shù)發(fā)展至今天 , 在控制方式上經(jīng)歷了從人工控制到自動(dòng)控制兩個(gè)發(fā)展時(shí)期。在自動(dòng)控制時(shí)期內(nèi)，過程控制系統(tǒng) 又經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段 , 它們是：分散控制階段 , 集中控制階段和集散控制階段。 從過程控制采用的理論與技術(shù)手段來看，可以粗略地把它劃為三個(gè)階段：開始到 70 年代為第一階段， 70 年代至 90 年代初為第二階段， 90 年代初為第三階段開始。其中70 年代既是古典控制應(yīng)用發(fā)展的鼎盛時(shí)期，又是現(xiàn)代控制應(yīng)用發(fā)展的初期， 90 年代初既是現(xiàn)代控制應(yīng)用發(fā)展的繁榮時(shí)期，又是高級(jí)控制發(fā)展的初期。第一階段是初級(jí)階段，包括人工控制，以古典控制理論為主要基礎(chǔ)，采用常規(guī)氣動(dòng)、液動(dòng)和電動(dòng)儀表，對生產(chǎn)過程中的溫度、流量、壓力和液位進(jìn)行控制， 在諸多控制系統(tǒng)中，以單回路結(jié)構(gòu)、 PID 策略為主，同時(shí)針對不同的對象與要求，創(chuàng)造了一些專門的控制系統(tǒng)，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大滯后的 Smith 預(yù)估器，克服干擾的前饋控制和串級(jí)控制等等，這階段的主要任務(wù)是穩(wěn)定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定值控制。這與當(dāng)時(shí)生產(chǎn)水平是相適應(yīng)的。 第二階段是發(fā)展階段，以現(xiàn)代控制理論為主要基礎(chǔ)，以微型計(jì)算機(jī)和高檔儀表為工具，對較復(fù) 雜的工 業(yè)過程進(jìn)行控制。這階段的建模理論、在線辨識(shí)和實(shí)時(shí)控制已突破前期 形式，繼而涌現(xiàn)了大量的先進(jìn)控制系統(tǒng)和高級(jí)控制策略，如克服對象特性時(shí)變和環(huán)境干擾等不確定影響 的自適應(yīng)控制，消除因模型失配而產(chǎn)生不良影響的預(yù)測控制等。這階段的主要任務(wù)是克服干擾和模型變化，滿足復(fù)雜的工藝要求，提高控制質(zhì)量。 1975 年，世界上第一臺(tái)分散控制系統(tǒng)在美國 Honeywell 公司問世，從而揭開了過程控制嶄新的一頁。分散控制系統(tǒng)也叫集散控制系統(tǒng)，它綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和顯示技術(shù)，采用多層分級(jí)的結(jié)構(gòu)形式 ,按總體分散、管 理集中的原則，完成對工業(yè)過程的操作、監(jiān)視、控制。由于采用了分散 結(jié)構(gòu)和冗余等技術(shù)，使系統(tǒng)的可靠性極高，再加上硬件方面的開放式框架和軟件方面的模塊化形式，使得它組態(tài)、 擴(kuò)展極為方便，還有眾多的控制算法 (幾十至上百種 ) 、較好的人 —機(jī)界面和故障檢測報(bào)告功能。經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，它已日臻完善，在眾多 控制系統(tǒng)中，顯示出出類拔萃的風(fēng)范，因此，可以毫不夸張地說，分散控制系統(tǒng)是過程控制發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。第三階段是高級(jí)階段，目前正在來到 [2]。 控制系統(tǒng)仿真的含義 控制系統(tǒng)仿真是建立在控制系統(tǒng)模型基礎(chǔ)之上的控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程試驗(yàn)，目的是通過試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)方案論證，選擇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，驗(yàn)證系統(tǒng)的性能指標(biāo)等．如果這種試驗(yàn)是在計(jì)算設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的，就稱為計(jì)算機(jī)仿真 [3]。 矩陣實(shí)驗(yàn)室 Matlab 簡介 矩陣實(shí)驗(yàn)室 (MATLAB)語言是 Mathworks公司于 1982年推出的， 它集數(shù)值分析、信號(hào)處理、系統(tǒng)控制和圖形處理于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的界面友好的用戶環(huán)境。在我國，自動(dòng)控制領(lǐng)域已廣泛地應(yīng)用這種語言。 1992年的 Math Works公司推出了交互式模型輸人與模擬環(huán)境動(dòng)態(tài)系統(tǒng)軟件（ SIMULNK），使得 MATLAB在自動(dòng)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用得到很大發(fā)展。 一種語言之所以能迅速的普及。顯示出如此旺盛的生命力， MATLAB有其不同于其 它語言的特點(diǎn)。與 C、 Fortran、 Pascal等高級(jí)語言相比 。 MATLAB不但在數(shù)字語言的表達(dá)與解釋方面表現(xiàn)出人 — 機(jī)交互高度一致。還具有如下特點(diǎn)： (1)超強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算功能 在 MATLAB環(huán)境中，有超過 500種的數(shù)字、統(tǒng)計(jì)、科學(xué)及工程方面的函數(shù)可供使用，而且使用簡單快捷； (2)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能 MATLAB的圖形功能使用戶可以進(jìn)行視覺數(shù)據(jù)處理和分析； (3)開放的架構(gòu)和可延拓的特性 (除內(nèi)部函數(shù)外 ) 所有 MATLAB主包文件和各工具包都是可讀可改的源文件，用戶可以檢查算法，修改現(xiàn)在函數(shù)。甚至加入自己的函數(shù)。構(gòu)成新的工具包； (4)豐富的工具箱 最常用的有控制系統(tǒng) 工具箱、圖像處理工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、信號(hào)處理工具箱、小波工具箱等等 [4]。 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)軟件包 Simulink 簡介 Simulink是運(yùn)行在 MATLAB環(huán)境下，用于建模、仿真和分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的軟件包，如圖 Simulink軟件系統(tǒng)組成。它包括一個(gè)龐大的結(jié)構(gòu)方塊圖模型，用戶可以既快捷又方便地對系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真而不必寫任何代碼程序，并且 Simulink可以在屏幕上顯示數(shù)據(jù)以及輸出數(shù)據(jù)和圖形。 Simulink本身就是一種用來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真的軟件工具，它是 MATLAB的一個(gè)附加組件，用來提供一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的建 模與動(dòng)態(tài)仿真的工具平臺(tái)； 用模塊組合的方法使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型。 同時(shí)， Simulink也為控制領(lǐng)域提供大量的仿真模型，以滿足控制領(lǐng)域不同用戶的需要。 Simulink模型可以用來模擬幾乎所有可遇到的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，如模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者的混合系統(tǒng)。同時(shí)， Simulink是開放式的，允許用戶定制自己的模塊和模塊庫，而且 它 比較詳實(shí)的幫助系統(tǒng)便于應(yīng)用。 對于建模， Simulink提供了一個(gè)圖形化的用戶界面 (GUI)，可以直接用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖 拉模塊的圖標(biāo)建模。這是以前需要用編程語言明 確地用公式表達(dá)微分方程的仿真軟件包所無法比擬的。 Simulink包括一個(gè)由信號(hào)源、接受器、線性和非線性組件以及中間的連接器件組成的 模塊 庫，同時(shí)可以根據(jù)用戶自己的需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的模塊。 主 控 界 面復(fù) 雜 控 制 系 統(tǒng) 界 面簡 單 控 制 系 統(tǒng) 界 面P I D參數(shù)的測試簡單系統(tǒng)投運(yùn)串 級(jí)控 制系 統(tǒng)的 應(yīng)用前 饋反 饋系 統(tǒng)的 投運(yùn)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡單均勻控制對象特性的測試數(shù) 據(jù) 分 析 ， 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 界 面實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 保 存 界 面 圖 Simulink 軟件系統(tǒng)組成 目前，隨著軟件的不斷升級(jí)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展， Simulink已經(jīng)在學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，世界上很多知名的大公司已經(jīng)使用 Simulink作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的工具。 控制系統(tǒng)仿真的一般步驟 (1)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。如對 象特性測試、 PID參數(shù)測試、簡單系統(tǒng)的投運(yùn)、簡單均勻控制系統(tǒng)、串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用、前饋 — 反饋系統(tǒng)的投運(yùn)等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的數(shù)學(xué)模型。 (2)建立系統(tǒng)的仿真模型，即設(shè)計(jì)算法，并用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。它是系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且能被計(jì)算機(jī)所接受并能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。 (3)運(yùn)行仿真模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，再根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，進(jìn)一步修正系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和仿真模型 [5]。 第二章 過程控制系統(tǒng)概述 過程控制中常見的控制系統(tǒng) 單回路控制系統(tǒng) 單回路反饋控制系統(tǒng)簡稱單回路控制系統(tǒng)。再所有反饋控制系統(tǒng)中，單回路反饋控制系統(tǒng)是最基本、結(jié)構(gòu)最簡單的一種，因 此，它又稱為簡單控制系統(tǒng)。 控 制 器 控 制 閥 對 象變 送 器偏 差 測 量液 位+給 定 圖 單回路控制系統(tǒng)方框圖 圖 所示為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。它能夠抵制施加在系統(tǒng)上的干擾因素 ， 系統(tǒng)過渡過程具有過渡時(shí)間較小、最大偏差較小、系統(tǒng)穩(wěn)定性較高等特點(diǎn) 。 采用單回路比例積分控制系統(tǒng)即可抵制干擾因素對液位的影響，能滿足一般生產(chǎn)工藝對液位過程控制的要求。 串級(jí)控制系統(tǒng) 串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。 主 控 制 器 副 控 制 器 控 制 閥 副 對 象 主 對 象副 變 送 器主 變 送 器 圖 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 如圖 所示， 前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量 (主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。