基于Matlab的過程控制系統仿真實驗設計

王 茜, 陳國達, 李孝祿

(1. 杭州電子科技大學 自動化學院, 浙江 杭州 310018；2. 浙江工業大學 機械工程學院,浙江 杭州 310032； 3. 中國計量大學 機電工程學院, 浙江 杭州 310018)

基于Matlab的過程控制系統仿真實驗設計

王 茜1, 陳國達2, 李孝祿3

(1. 杭州電子科技大學 自動化學院, 浙江 杭州 310018；2. 浙江工業大學 機械工程學院,浙江 杭州 310032； 3. 中國計量大學 機電工程學院, 浙江 杭州 310018)

針對過程控制系統課程的特點,利用Matlab軟件進行了過程控制系統的仿真實驗教學研究和開發,給出了基于Matlab軟件的過程控制系統仿真實驗方案。設計了4個仿真實驗,以臨界比例度參數整定法為例,給出了實驗教學實踐過程。該實驗教學方法具有簡單明了、可操作性強等特點,方便學生課下練習,能夠加深學生對過程控制系統設計及系統性能分析等理論知識的理解,提高學生的動手能力及科學素養。

過程控制系統； Matlab軟件； 仿真實驗教學； 創新能力

過程控制系統是石油、化工、電力等工業生產中以表征生產過程的參數(如溫度、壓力、流量、液位和成分等)作為被控量,使之接近給定值或保持在給定范圍內的自動控制系統[1-3]。過程控制系統是將自動控制原理、過程工藝設計、計算機控制及自動化儀表等知識相結合而構成的一門應用科學,是自動化專業的核心課程[4]。

過程控制系統課程是一門偏向技術應用的自動化專業課程,因此過程控制系統的實驗設計環節尤為重要[5-9]。以杭州電子科技大學為例,目前過程控制系統課程共56學時,其中包括12學時的課內實驗或基于實驗設備的實驗。但是,由于學校實驗室數量及開放時間有限,難以滿足學生利用課余時間開展進一步實驗的需求。為此,筆者設計了基于Matlab的仿真實驗。教師可以根據課程進度及課程的重點知識來安排Matlab仿真實驗,使學生可以在課下針對理論學習及實驗過程中發現的問題,進行仿真實驗分析。這種實驗方式可以鍛煉學生通過數學工具來分析和解決問題的能力,同時激發學生的學習興趣,提高學生動手能力及創新能力。

1 基于Matlab的過程控制系統仿真實驗方案

筆者根據課程重點知識,分別在簡單控制系統、串級控制系統、前饋-反饋控制系統、比值控制系統的理論課教學之后各安排1次(共8學時)Matlab仿真實驗,并布置基于Matlab的仿真實驗作業。根據實驗作業的難易程度,仿真作業可布置為獨立作業或小組作業。理論教學、基于實驗設備的實驗和基于Matlab的仿真實驗相輔相成,三者有機融合,最終獲得良好的教學效果。

2 基于Matlab的仿真實驗設計

2.1 Simulink建?；静僮?/p>

Simulink軟件具有仿真和連接兩大功能。用鼠標在模塊窗口上繪制出所需要的控制系統模型,然后利用Simulink提供的功能來對系統進行仿真和分析[10-12]。

(1) 實驗目的。了解Simulink模型的基本結構；了解Simulink模塊庫；掌握連續模塊(Continuous)、數學運算模塊(Math Operations)、輸入源模塊(Sources)及接收器模塊(Sinks)等模塊的使用方法。

(2) 實驗設備。安裝有Matlab軟件的計算機。

(3) 實驗內容。某控制系統的傳遞函數表示為

用Simulink求它的階躍輸入響應,并將階躍響應曲線導入Matlab的工作空間中,在工作空間中繪制階躍響應曲線。

2.2 基于Matlab的串級控制系統仿真

(1) 實驗目的。利用Matlab對串級控制系統進行參數整定；利用Matlab分析串級控制系統的抗干擾能力；比較串級控制系統與簡單控制系統的區別。

(2) 實驗設備。安裝有Matlab軟件的計算機。

(3) 實驗內容。針對管式加熱爐出口溫度控制系統,分析溫度-流量串級控制系統(見圖1)克服干擾的過程；構成以加熱爐出口溫度為主變量、燃料油流量為副變量的串級控制系統。

假設主、副對象傳遞函數分別為

采用串級控制設計主、副PID控制器,并與簡單控制系統進行比較。對串級控制系統進行參數整定。

(4) 實驗原理。在系統結構上,串級控制系統有2個閉合回路——主回路和副回路；有2個控制器——主控制器/主調節器和副控制器/副調節器；有2個檢測變送器——主檢測變送器和副檢測變送器。

圖1 溫度-流量串級控制系統

串級系統由于增加了副回路,對進入副回路的干擾具有很強的抑制作用,因此作用于副回路的干擾對主被控量的影響較小。系統的主回路是定值控制,而副回路是隨動控制。在設計串級控制系統時,要求系統副被控對象的時間常數要遠小于主被控對象。此外,為了提高系統的控制精度,一般主調節器采用PI或PID調節器,而副調節器一般采用比例P控制,以提高副回路的快速響應。串級控制系統的整定有一步整定法,也有兩步整定法——先整定副回路,后整定主回路。

串級控制系統由于副回路的存在,改善了控制對象的特性,減小了等效對象的時間常數,提高了系統的工作頻率,改善了系統的動態性能,使系統的響應加快、控制及時。同時,由于串級系統具有主、副兩只控制器,增大了總放大倍數,增強了系統抗干擾能力。副控制器具有粗調作用,而主控制器具有細調作用,因而控制質量顯然高于簡單的單回路控制系統。

2.3 基于Matlab的前饋-反饋控制系統仿真

(1) 實驗目的。利用Matlab對前饋-反饋控制系統進行參數整定；利用Matlab分析前饋-反饋控制系統的抗干擾能力。

(2) 實驗設備。安裝有Matlab軟件的計算機。

(3) 實驗內容。某加熱器前饋-反饋控制系統的控制通道和干擾通道的傳遞函數分別為

假設反饋控制器Gc(s)采用PI控制,選用合適的方法整定該系統并分析前饋-反饋控制系統的抗干擾能力。

(4) 實驗原理。前饋-反饋是復合調節系統,選擇對象中主要的一些干擾作為前饋信號,對其他引起被調參數變化的各種干擾則采用反饋調節來克服,從而充分地利用了兩種調節作用的優點,提高了控制質量。前饋-反饋控制系統框圖如圖2所示。

圖2 加熱器前饋-反饋控制系統框圖

前饋-反饋控制系統既有前饋校正作用及時的優點,又保持了反饋控制能克服多種擾動及對被控變量進行反饋的長處。整定前饋時,不接入反饋控制。前饋控制的整定方法和靜態前饋控制系統相同；反饋控制的整定方法和簡單控制系統整定方法相同。

2.4 基于Matlab的單閉環比值控制系統仿真

(1) 實驗目的。利用Matlab對單閉環比值控制系統進行仿真分析。

(2) 實驗設備。安裝有Matlab軟件的計算機。

(3) 實驗內容。對于比值控制系統,要求副流量跟隨主流量變化而變化,其中兩流量儀表的信號比值系數為5,其中副對象的傳遞函數為

設計一個單閉環比值控制系統。

(4) 實驗原理。使2個或2個以上參數保持一定比例關系的控制系統稱為比值控制系統。單閉環比值控制系統是在開環比值控制的基礎上,增加了一個副流量的閉環控制系統。單閉環比值控制系統既可以實現副流量跟隨主流量變化而變化,又可以克服副流量本身干擾對比值的影響。單閉環比值控制系統方框圖如圖3所示[2]。

圖3 單閉環比值控制系統

3 實驗教學實踐

臨界比例度法又稱Ziegler-Nichols方法,它便于使用,而且在大多數控制回路中能得到良好的控制品質。臨界比例度法是在系統閉環的情況下進行的[2],具體整定步驟如下:

(1) 將控制器的積分時間放在最大值(Ti→∞),微分時間放在最小值(Td=0),比例度δ放在較大值后,讓系統投入運行。

(2) 逐漸減小比例度,且每改變一次δ值時,都通過改變設定值給系統施加一個階躍干擾,同時觀察系統的輸出,直到過渡過程出現等幅振蕩為止。此時的過渡過程稱為臨界振蕩過程,δc max為臨界比例度,Tk為臨界振蕩周期。

(3) 利用δc max和Tk實驗數據,按表1求出控制器的各個整定參數。將控制器的比例度換成整定后的值,然后依次放上積分時間和微分時間的整定值。

表1 臨界比例度法控制器參數計算表

以液位控制系統為例,在參數整定實驗中,利用Matlab根據臨界比例度法對PID控制器進行參數整定。首先,構建Simulink仿真模型并進行Matlab仿真分析。如果實驗時間有限,可以提前讓學生搭建Simulink仿真模型(如圖4所示),供實驗課使用。

圖4 系統Simulink模型

其中,控制對象傳遞函數為

測量裝置和調節閥的傳遞函數為

Gv(s)=1

PID控制器傳遞函數為

利用臨界比例度法整定參數過程為:

(1) 在Simulink中,把反饋連線、微分器的輸出連線、積分器的輸出連線都斷開,將δc max的值從大到小進行實驗,每次仿真后,讀取示波器的輸出,直到出現圖5所示的等幅振蕩為止,記錄此時的δc max=1/30(即Kp=1/δc max=30)和振蕩周期Tk=2.81 s。

圖5 等幅振蕩曲線

(2) 根據表1可知,P控制時,設置比例放大系數Kp=15,仿真運行,得到比例P控制時系統的單位階躍響應曲線如圖6所示。

圖6 P控制時系統的單位階躍響應曲線

(3) 根據表1,當采用PI控制時,設置比例放大系數Kp=13.64；設置積分時間常數Ti=2.39。將積分的輸出連線連上,仿真運行,得到PI控制時如圖7所示的系統單位階躍響應曲線。

圖7 PI控制時系統的單位階躍響應曲線

(4) 根據表1,當采用PID控制時,設置比例放大系數Kp=17.65；設置積分時間常數Ti=1.41；設置微分時間常數τ=0.35。將微分器的輸出連線連上,仿真運行,可以得到如圖8所示的PID控制時系統的單位階躍響應曲線。

圖8 PID控制時系統的單位階躍響應曲線

由圖6、圖7和圖8可以看出,P控制與PI控制的階躍響應上升速度基本相同,由于對應的比例系數不同,系統的輸出值也不同；且PI控制的超調量比P控制的要小,PID控制比P控制和PI控制的響應速度要快,但是超調量大一些。

由于工程整定方法是根據經驗公式,故不是任何情況都適用。采用表1中的經驗值整定PID參數的方法具有很大的保守性,因此需要根據實際情況進行一定的調整。由圖7可知,按照表1整定的PI控制器參數并不是最佳的。將比例放大系數Kp調整為13.5,積分時間常數Ti設置為12.5,進行仿真,將得到如圖9所示的系統階躍響應曲線。

圖9 系統的單位階躍響應曲線(Kp=13.5,Ti=12.5)

4 教學效果分析

學生在建立Simulink模型后,通過設計PID控制器并對參數進行整定,分析系統的靜、動態性能,加深了對過程控制系統相關理論知識的理解。例如:在完成串級控制系統的理論教學后,即安排學生進行基于Matlab的串級控制系統仿真實驗和仿真作業。仿真實驗既可以在多媒體教室隨堂進行,也可以在課下進行,時間自由度較大。學生普遍認為這種基于Matlab的控制系統實驗操作性強。教學實踐表明:80%～90%的學生可以獨立完成實驗作業并獲得滿意的實驗效果；而沒有獲得滿意實驗效果的學生可以通過與同學或教師討論、交流后獲得滿意的實驗效果?；贛atlab的過程控制系統實驗激發了學生的學習興趣、促進了學生的相互交流學習、鍛煉了學生的動手能力、提高了學生發現問題和解決問題的能力。

5 結語

過程控制系統是一門偏向技術應用的自動化專業課程,實驗設計環節尤為重要。過程控制系統是面向大學三年級學生開設的專業課程,而大部分自動化專業學生的畢業設計需要用到Matlab軟件對控制系統進行仿真分析?；贛atlab的過程控制系統仿真實驗的開設將為四年級學生的工程訓練及畢業設計打下重要的基礎。

References)

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[12] 王正林,郭陽寬.過程控制與Simulink應用[M].北京:電子工業出版社,2006.

Design of simulation experiment of process control system based on Matlab

Wang Qian1, Chen Guoda2, Li Xiaolu3

(1. College of Automation, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018, China; 2. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032, China; 3. College of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Aiming at the characteristics of process control system, the simulation experimental teaching of process control system is studied based on the Matlab. The course experiment of process control system is designed based on the Matlab and four examples are given. Besides, the experimental teaching practical process is described by taking the critical proportional method as an example. This experimental teaching method is concise, explicit and strongly operational, which is convenient for the students to practice after class. It can deepen the theoretical knowledge understanding of process control system design and system performance analysis, and improve their operational ability and scientific literacy.

process control system; Matlab software; simulation experimental teaching; innovative ability

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.031

2016-09-07 修改日期：2017-01-06

國家自然科學基金項目(61503105)；浙江省教育科學規劃項目(2013SCG054)；全國工程專業學位研究生教育自選研究課題(2016-ZX-243)；浙江工業大學教學改革項目(JG201611)

王茜(1985—),女,吉林長春,博士,講師,主要從事控制理論的教學和科研工作.

E-mail：wq@hdu.edu.cn

G642

A

1002-4956(2017)2-0119-05