1、過程控制工程概論課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書電子電氣工程學(xué)院自動(dòng)化系2012.2目 錄第一章 前言. .3第二章 過程控制工程概論實(shí)驗(yàn)1解耦控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn). . . . . .42純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn). . .73預(yù)測控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn). .11第一章 前 言本實(shí)驗(yàn)課程是與學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)選修課程過程控制工程概論相配合的實(shí)踐課程。過程控制工程是控制理論、生產(chǎn)工藝、計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器儀表等知識(shí)相結(jié)合的一門綜合性應(yīng)用學(xué)科，過程控制系統(tǒng)仿真是架起理論和實(shí)踐之間的重要橋梁，是掌握過程系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)精髓的重要手段。對先進(jìn)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，其不僅可以使學(xué)生加強(qiáng)課程的學(xué)習(xí)效果，而且還可為學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中提供一個(gè)強(qiáng)有力的工

2、具，有效加強(qiáng)教學(xué)中的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的獨(dú)立工作能力和創(chuàng)造性思維能力。開設(shè)本課程的目的，主要是培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用MATLAB語言進(jìn)行過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的能力，為今后從事科研工作和與專業(yè)有關(guān)的工程技術(shù)工作打好基礎(chǔ)。一、上機(jī)實(shí)驗(yàn)要求1、要求學(xué)生熟悉MATLAB中的控制系統(tǒng)工具箱、預(yù)測控制工具箱與與SIMULINK軟件包。2、能根據(jù)有關(guān)控制算法，編寫有關(guān)的MATLAB程序。3、能對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和討論，得到相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。二、上機(jī)實(shí)驗(yàn)的基本程序：1、明確實(shí)驗(yàn)任務(wù)。2、提出實(shí)驗(yàn)方案。3、利用SIMULINK工具建立系統(tǒng)的仿真模型，編制有關(guān)的MATLAB程序。4、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，作好觀測和記錄，保存

3、有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。5、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在進(jìn)行上機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，上述程序應(yīng)讓學(xué)生獨(dú)立完成，教師給予必要的指導(dǎo)，以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。要做好各個(gè)上機(jī)實(shí)驗(yàn)，就應(yīng)做到：實(shí)驗(yàn)前做準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)中有條理，實(shí)驗(yàn)后勤分析。實(shí)驗(yàn)一 解耦控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饨怦羁刂葡到y(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，掌握前饋補(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)、反饋補(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)和對角陣解耦控制系統(tǒng)的仿真方法，對采取解耦措施后系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。 二、實(shí)驗(yàn)方法在MATLAB環(huán)境下，進(jìn)行SIMULINK仿真，分別建立前饋補(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)、反饋補(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)和對角陣解耦控制系統(tǒng)的仿真框圖，分析解耦調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置和簡化方法。對所設(shè)計(jì)的解耦控

4、制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，并研究系統(tǒng)的魯棒性。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1586以上微機(jī)，16M以上內(nèi)存，400M硬盤空間，2X CD-ROM2MATLAB7及以上版本，含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容已知某化學(xué)反應(yīng)過程，通過控制反應(yīng)過程的溫度和反應(yīng)釜內(nèi)壓力變化控制反應(yīng)過程。可控制輸入、分別為兩物料流量,系統(tǒng)輸出、分別為反應(yīng)過程溫度和反應(yīng)釜內(nèi)壓力。系統(tǒng)輸入輸出之間的傳遞關(guān)系為：分別利用前饋補(bǔ)償解耦方法、反饋補(bǔ)償解耦方法和對角陣解耦方法對該控制系統(tǒng)進(jìn)行控制仿真。 五、實(shí)驗(yàn)方法 1.前饋補(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 前饋補(bǔ)償是自動(dòng)控制中最早出現(xiàn)的一種克服干擾的方法，同樣適用于解耦系統(tǒng)。

5、下圖所示為應(yīng)用前饋補(bǔ)償器來解除系統(tǒng)間耦合的方法。圖1 前饋補(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)方框圖 解耦補(bǔ)償裝置和可根據(jù)前饋補(bǔ)償原理求得:, 2.反饋補(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 反饋補(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)是多變量解耦控制非常有效的方法。該方法的解耦器布置在反饋通道上。下圖所示為應(yīng)用反饋補(bǔ)償器來解除系統(tǒng)間耦合的方法。圖2 反饋補(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)方框圖 解耦補(bǔ)償裝置和可根據(jù)反饋補(bǔ)償原理求得: , 3.對角陣解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對角矩陣解耦方法是一種常見的解耦控制方法，尤其對復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。其目的是通過在控制系統(tǒng)附加一矩陣，使該矩陣與對象特征矩陣乘積所構(gòu)成的廣義對象矩陣成為對角矩陣，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解耦。下圖所示為對角陣

6、解耦控制系統(tǒng)的方框圖。圖3 對角陣解耦控制系統(tǒng)方框圖根據(jù)解耦要求可求得，解耦補(bǔ)償矩陣六、實(shí)驗(yàn)步驟1. 分別進(jìn)行前饋解耦調(diào)節(jié)器、反饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)器和對角陣解耦調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。2. 在MATLAB環(huán)境下，分別建立前饋補(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)、反饋補(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)和對角陣解耦控制系統(tǒng)的仿真框圖。3. 施加階躍輸出，研究反應(yīng)過程溫度的變化情況。4. 施加階躍輸出，研究反應(yīng)釜內(nèi)壓力的變化情況。 5. 分析控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和魯棒性。七、問題與討論1、解耦控制系統(tǒng)的作用是什么？應(yīng)用在什么場合？2、解耦控制系統(tǒng)有哪些典型的解耦方案，各方案有何特點(diǎn)？ 3、談?wù)剬?shí)驗(yàn)體會(huì)。實(shí)驗(yàn)二 純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)?/p>

7、的了解純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法，掌握史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)和改進(jìn)型史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)的仿真方法，對純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。 二、實(shí)驗(yàn)方法在MATLAB環(huán)境下，進(jìn)行SIMULINK仿真，分別建立史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)、增益自適應(yīng)史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)和雙控制器補(bǔ)償控制系統(tǒng)的仿真框圖，分析控制器的參數(shù)設(shè)置方法。對所設(shè)計(jì)的純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，并研究系統(tǒng)的魯棒性。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1586以上微機(jī)，16M以上內(nèi)存，400M硬盤空間，2X CD-ROM2MATLAB7及以上版本，含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容在估計(jì)器無差估計(jì)過程模型的理想

8、情況下，分別采用史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制、增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制和雙控制器補(bǔ)償控制對某一化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行仿真。其中，輸入為原料量，輸出為反應(yīng)所生成的產(chǎn)品質(zhì)量。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如下：。五、實(shí)驗(yàn)方法1. 史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制方案針對純滯后系統(tǒng)中閉環(huán)特征方程含有純滯后項(xiàng)的特點(diǎn)，在PID反饋的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)預(yù)估補(bǔ)償環(huán)節(jié)，從而使閉環(huán)特征方程方程不含純滯后項(xiàng)，提高了控制質(zhì)量。設(shè)是史密斯引入的預(yù)估補(bǔ)償器傳遞函數(shù)。為使閉環(huán)特征方程不含純滯后，要求。則史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)的Simulink仿真框圖如下所示：圖6 史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)Simulink仿真框圖2. 增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雖

9、然理論上證明了史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制的良好效果，但在工程應(yīng)用上仍存在一定的局限性。很多研究者為此提出了不同的改進(jìn)方案。增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制是在史密斯補(bǔ)償控制基礎(chǔ)上增加了一個(gè)除法器、一個(gè)一階微分環(huán)節(jié)和一個(gè)乘法器。利用這三個(gè)環(huán)節(jié)根據(jù)模型和過程輸出信號(hào)之間的比值提供一個(gè)自動(dòng)校正預(yù)估器增益的信號(hào)。增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制系統(tǒng)的仿真框圖如下所示。圖8 增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制系統(tǒng)仿真框圖3. 雙控制器補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雙控制器系統(tǒng)一方面可分離閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)定值響應(yīng)和擾動(dòng)響應(yīng)，從而同時(shí)獲得良好的設(shè)定值跟蹤性能和抗干擾能力；另一方面對模型誤差不敏感，從而具有良好的魯棒性。雙控制器的仿真框圖為：圖10 雙控制器補(bǔ)償控制系統(tǒng)仿真框

10、圖六、實(shí)驗(yàn)步驟1. 分別進(jìn)行史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)、增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制系統(tǒng)和雙控制器補(bǔ)償控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2. 在MATLAB環(huán)境下，分別建立史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)、增益自適應(yīng)補(bǔ)償控制系統(tǒng)和雙控制器補(bǔ)償控制系統(tǒng)的仿真框圖。3. 施加階躍輸出，研究系統(tǒng)輸出的變化情況。4. 分析控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和魯棒性。七、問題與討論1、滯后控制系統(tǒng)的作用是什么？應(yīng)用在什么場合？2、滯后控制系統(tǒng)可分為什么類型，各有什么特點(diǎn)？ 3、談?wù)剬?shí)驗(yàn)體會(huì)。實(shí)驗(yàn)三 預(yù)測控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會(huì)在MATLAB環(huán)境下根據(jù)預(yù)測控制的原理圖，建立預(yù)測控制系統(tǒng)的仿真模型；掌握預(yù)測控制器參數(shù)設(shè)計(jì)的方法，編寫MATLAB程

11、序來設(shè)置預(yù)測控制器的參數(shù)，并對預(yù)測控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。 二、實(shí)驗(yàn)方法在MATLAB環(huán)境下，進(jìn)行SIMULINK仿真，建立預(yù)測控制系統(tǒng)的仿真框圖，對控制器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。對所設(shè)計(jì)的預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，并研究系統(tǒng)的魯棒性。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1586以上微機(jī)，16M以上內(nèi)存，400M硬盤空間，2X CD-ROM2MATLAB5.3以上含CONTROL SYSTEM TOOLBOX。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容雙容水箱是工業(yè)過程控制中常見的液位被控對象，如下圖所示。系統(tǒng)的輸入為閥門開度變化量，輸出為下箱液位的變化量，已知輸入與輸出的傳遞關(guān)系為：，要求為該對象設(shè)計(jì)一個(gè)DMC控制器，在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行仿真，研

12、究所設(shè)計(jì)的預(yù)測控制系統(tǒng)的性能。圖11 雙容水箱示意圖五、實(shí)驗(yàn)方法DMC算法是一種基于對象階躍響應(yīng)的預(yù)測控制算法，它適用于漸進(jìn)穩(wěn)定的線性裝置。DMC算法包括預(yù)測模型、在線反饋校正、滾動(dòng)優(yōu)化等幾部分。動(dòng)態(tài)矩陣算法控制結(jié)構(gòu)圖如下所示。圖12 動(dòng)態(tài)矩陣算法控制結(jié)構(gòu)圖根據(jù)此結(jié)構(gòu)圖可建立如下圖所示的Simulink仿真框圖，其中動(dòng)態(tài)矩陣、控制向量、誤差校正向量、移位陣等參數(shù)根據(jù)DMC算法原理編制MATLAB程序求出。程序的步驟如下：（1）檢測對象的階躍響應(yīng)，并經(jīng)光滑后得到模型系數(shù)，然后求出動(dòng)態(tài)矩陣；（2）根據(jù)以下公式計(jì)算控制系數(shù)（3）選擇校正系數(shù)，設(shè)置移位陣；（4）取中前個(gè)元素算出；（5）設(shè)定參考軌跡。

13、（6）啟動(dòng)DMC系統(tǒng)的Simulink仿真模型，進(jìn)行仿真。 圖13 DMC系統(tǒng)Simulink仿真框圖六、實(shí)驗(yàn)步驟1. 進(jìn)行動(dòng)態(tài)矩陣控制器（DMC）的參數(shù)設(shè)計(jì)，編寫相關(guān)MATLAB程序，求出DMC控制器的參數(shù)。2. 在MATLAB環(huán)境下，建立預(yù)測控制系統(tǒng)的仿真框圖。3. 施加階躍輸出，研究系統(tǒng)輸出的變化情況。4. 分析控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能和魯棒性。 七、問題與討論1、預(yù)測控制的基本原理是什么？2、DMC算法包括哪幾部分？有什么優(yōu)點(diǎn)？ 3、談?wù)剬?shí)驗(yàn)體會(huì)。%dmcfuzhi.mclearsys=tf(1,conv(80 1,80 1),'OutputDelay',10 );

14、tt=0:10:490;y=step(sys,tt); %獲得對象階躍響應(yīng)的采樣值Ts=10; %采樣周期N=length(y)-1 a=y(2:length(y),1); %獲得階躍響應(yīng)模型P=9 %指定優(yōu)化時(shí)域M=1 %指定控制時(shí)域for j=1:M for i=j:P A(i,j)=a(i+1-j); endend A %求動(dòng)態(tài)矩陣Q=eye(P);Q(1,1)=0; %控制權(quán)矩陣參數(shù)設(shè)定R=0*eye(M) %約束權(quán)矩陣參數(shù)設(shè)定c=zeros(M,1);c(1)=1;dtao=c'*inv(A'*Q*A+R)*A'*Q %計(jì)算控制向量ctao=zeros(1,N);ctao(1)=1 %用于求向量的第一個(gè)元素alfa=1; %取=1h1(1)=1;h1(2:N,1)=alfa; %誤差校正向量取S1=eye(N-1);S1=zeros(N-1,1) S1;S1(N,N)=1;S=S1; %設(shè)置移位陣PN=eye(P) zeros(P,N-P); %取中前個(gè)元素算出W=ones(P,1); %設(shè)定參考軌跡%dmcjieguo.msys=tf(1,conv(80 1,80 1),