双闭环比值控制系统设计与仿真

远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）题目：双闭环比值控制系统设计与仿真学习中心： 内蒙古电大学习中心 学 号： 090F06143038 姓 名： 高 巍 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 江 南 2016年9月23日 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表学生姓名：高巍 学号：090F061443038 专业：电气工程及其自动化 毕业设计（论文）题目：双闭环比值控制系统设计与仿真 指导教师意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）选题符合电气自动化专业培养目标要求，也体现出一定实践应用性，全文结构合理，思路清晰，语言通顺，层次分明，观点表达准确，论据与论点保持一致，参考的文献资料与论题和论文内容结合相对紧密，能基本综合运用电气自动化专业所学内容解决主要问题，但格式还不是很规范，创新点不够。总体上说，基本上达到了毕业论文的要求。 同意答辩。指导教师结论： 合格 （合格、不合格）指导教师姓名江南所在单位内蒙古电大指导时间2016.9.26中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院 本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表学生姓名：高巍 学号：090F061443038 专业：电气工程及其自动化 毕业设计（论文）题目：双闭环比值控制系统设计与仿真 评阅意见：（请对论文的学术水平做出简要评述。包括选题意义；文献资料的掌握；所用资料、实验结果和计算数据的可靠性；写作规范和逻辑性；文献引用的规范性等。还须明确指出论文中存在的问题和不足之处。）论文对各类比值控制系统进行了介绍，主要针对特定的被控对象模型，设计了一个双闭环比值控制系统。论文阐述了双闭环比值控制系统的主从物料选择、调节器选型以及调节器参数整定方法，使用MATLAB进行了调节器参数的整定和性能的仿真分析。论文选题符合专业要求，内容完整，结构合理，逻辑清晰，语言通顺，论据与论点保持一致，参考的文献资料与论题和论文内容结合相对紧密，达到毕业要求。论文格式较好，需要修改的主要是第4章节仿真图，请参考批注进行修改。修改意见：（针对上面提出的问题和不足之处提出具体修改意见。评阅成绩合格，并可不用修改直接参加答辩的不必填此意见。 参考批注修改第4章节的仿真图。毕业设计（论文）评阅成绩 （百分制）： 90 评阅结论： 同意答辩 （同意答辩、不同意答辩、修改后答辩）评阅人姓名谢桂辉所在单位中国地质大学（武汉）评阅时间2016-10-21论文原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的本科毕业论文双闭环比值控制系统设计与仿真，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。 论文作者（签字）： 高巍日期：2016年9月23日 中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）摘 要随着工业生产自动化程度的提高,企业对工厂的过程控制系统的稳定性也提出了更高要求。在实际工业生产过程当中存在着大量按原料配比进行生产或者控制参数之间的比例关系要求保持一定的比值控制系统。在比值控制系统当中，比值的变化往往会引起产品质量数量的变化，造成原料和能源的浪费，引发环境污染，影响生产过程的正常和安全运行。设计比值控制系统，实现对于比值的有效控制对于提高工业生产过程的效率、保证生产的经济安全进行都有着重要而且实际的意义。本设计中对各类比值控制系统进行了介绍，主要针对特定的被控对象模型，设计了一个双闭环比值控制系统。对于双闭环比值控制系统的主从物料选择、调节器选型以及调节器参数整定方法等分别进行了介绍。并在MATLAB仿真软件中对所设计的双闭环比值控制系统进行了调节器参数的整定和性能的仿真分析。仿真的结果表明所设计的双闭环比值控制系统能够有效克服主、副流量的扰动，从而基本保证比值的恒定，同时具有良好的鲁棒性。关键词：双闭环比值控制；调节器设计；主流量；副流量目 录第一章 绪论11.1 比值控制的意义11.2 比值控制的分类11.3 研究的内容及目的2第二章 比值控制系统简介32.1 比值控制的特点32.2 常规比值控制系统32.2.1 单回路比值控制系统32.2.2 双闭环比值控制系统42.2.3 变比值控制系统52.3 比值系数的计算52.3.1 线性检测法的比值系数计算62.3.2 非线性检测法的比值系数计算6第三章 双闭环比值控制系统的设计83.1 主、从物料的选择83.2 调节器的选择83.3 调节器参数的整定9第四章 双闭环比值控制系统的仿真114.1 被控对象的数学模型114.1.1 数学模型的确定114.1.2 数学模型的稳定性分析114.2 控制器参数的整定134.2.1 主动量控制器参数整定144.2.2 从动量控制器参数整定164.3 控制过程的仿真194.3.1 正常工作情况204.3.2 从动量受扰动214.3.3 主动量受扰动224.3.4 系统的鲁棒性分析23结 论26参考文献27谢 辞28第一章 绪论1.1 比值控制的意义在电力、化工、炼油、水泥及其他许多的实际工业生产过程中，生产工艺上经常要求两种或两种以上的物料或者参数保持一定的比例关系，这个比例的变化，就会影响到生产的正常进行，意味着产品质量下降、产量下降、能量浪费、物料浪费、成本提高、环境污染，严重的甚至会造成安全生产事故1。例如在火力发电厂中锅炉的燃烧系统当中，要求保证送进炉膛的风量与燃料量成一定比例，只有保证一定的空燃比才能够保证燃烧的经济性，降低污染的排放2；在化工厂生产的许多产品如复合肥、尿素、磷酸二铵等等，都要求原料成一定的比例进行反应，从而得到预期的产品，否则将造成原料的浪费；在石油的炼制生产过程当中经常要进行汽油、石油的调合，所谓调合就是把两种及以上的基础组分油按照一定比例混合，并添加一定的添加剂，从而生成一种新的油品的过程。在石油行业中，调合是保证产品的质量满足环保等各种质量指标要求的重要手段，而调合的效益也直接影响到生产企业的经济效益 3。因此对于这些生产过程中的比值关系进行有效的控制，对于提高工厂的经济性以及安全性，都具有实际的意义。1.2 比值控制的分类根据系统比值的变化与否可以将比值控制系统分为定比值控制系统和变比值控制系统。定比值控制系统指的是生产过程当中通过比值器的比值系数的设置来实现两个或两个以上物料或参数之间的比值关系，一旦比值器的比值系数确定之后，系统运行时这个比值系数将保持恒定不变的比值系统。在定比值控制系统当中，如果生产上因某种需要对参数间的比值进行修正时，需要人工重新设置新的比值系数，这种系统的结构一般比较简单2。在实际生产当中还存在要求两个或两个以上物料或者参数之间的比值根据另一个参数的变化而不断地修正的情况，这样的比值系统的比值不再是恒定不变的，它称为变比值控制系统，这种系统的结构一般比较复杂2。比值控制系统按结构特点可以分为简单比值控制系统和复杂比值控制系统。简单比值控制系统指的是构成一个闭环以下的比值控制系统。复杂比值控制系统是指构成两个闭环及以上的比值控制系统2。实际生产过程中，根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求的不同，实际采用的比值方案也不同1。根据采取的控制方案可以将比值控制系-统分为单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、串级比值控制系统和有逻辑规律的比值控制系统。1.3 研究的内容及目的本文将主要对比值控制系统的特点、类型、设计、整定等分别进行介绍，重点介绍双闭环比值控制系统。针对给定的数学模型设计一个双闭环比值控制系统，选择合适的调节器类型，并对调节器的参数进行整定。最后通过Matlab仿真分析双闭环比值控制系统的特点。通过对双闭环比值控制系统的设计加深对理论知识以及实际生产过程的理解，加强理论联系实际的能力。第二章 比值控制系统简介2.1 比值控制的特点比值控制系统的主要特点就是两个或者两个以上的物料或者参数之间呈现一定的比例关系1。在两个物料之间，一定会有一个物料起主导作用，叫做主物料或者主动量、主流量；另一个物料跟随主物料的变化而变化，叫做从物料、从动量或者副物料、副流量1。若主物料用Q1表示，从物料用Q2表示，设主从物料间的比值关系用K表示，则有： (2-1)2.2 常规比值控制系统2.2.1 单闭环比值控制系统主动量Q1 开环，从动量Q2 是一个以主动量Q1与比值系数K的乘积KQ1为给定值的闭环控制系统，形成的单闭环比值控制系统的原理方框图如图2-1所示。图2-1 单闭环比值控制系统原理图图2-1中Wm1(s)为主动量测量变送器，Wm2(s)为从动量测量变送器，K为比值控制器，WT(s)为控制器，Wz(s)为调节阀，Wu(s)为被控对象。由于Q1和 Q2之间的比值一定，因此Q2 要随着Q1 的变化而变化，所以从动量控制系统是一个随动控制系统。单闭环比值控制系统的优点是能够实现从动量跟随主动量的变化而变化，同时可以克服从动量本身的扰动对比值的影响，从而基本保持主、副物料流量比值不变。但是缺点是无法控制主物料流量不变，当主动量发生大幅度扰动时，从动量相对于控制器的给定值也会出现较大的偏差，也就是说在这段时间里，主、从动量比值会较大地偏离工艺要求的流量比，而且由于主动量的不可控，就对生产过程的生产能力没有进行控制4。单闭环比值控制系统一般只用于负荷变化不大、主动量不可控制、两种物料间的比值要求较精确的生产过程2。2.2.2 双闭环比值控制系统为了克服单闭环比值控制系统当中存在的主动量不受控制，生产负荷在较大范围内波动等弱点，在单闭环比值控制的基础上，增设了主流量控制回路从而构成了双闭环比值控制系统4。双闭环比值控制系统的工艺流程图如图2-2所示。其中FT为检测变送器，FC为控制器，K为比值器。图2-2 双闭环比值控制系统工艺流程图双闭环比值控制系统的原理方框图如图2-3所示。图2-3 双闭环比值控制系统原理图图2-3中Wm1(s)为主动量测量变送器，Wm2(s)为从动量测量变送器，WK(s)为比值控制器，WT1(s)和 WT2(s)分别为两个回路的控制器，Wz1(s)和 Wz2(s)分别为执行机构，Wu1(s) 和Wu2(s)分别为主、从动量控制回路的被控对象。由图2-3可以看出双闭环比值控制系统是由一个定值控制的主动量控制回路和一个跟随主动量变化的从动量控制回路组成的。主动量控制回路的作用是能够克服主动量所受的扰动，从而实现定值控制；从动量控制回路的作用是能够抑制作用于副回路中的扰动，从而使从动量与主动量之间保持一定比值关系。当系统所受的扰动消除之后，主、从动量都恢复到原来的设定值上，在抑制扰动的过程当中，主、从动量都变化比较平稳，从而使系统的总物料流量稳定，更好地满足了生产工艺要求。同时由于主动量的定值控制，当系统需要升降负荷时，只需要改变主动量的设定值，主、从动量就会按比例同时增加或减小，最终达到稳定，从而达到调整负荷的目的2。双闭环比值控制系统一般适用于主、从动量扰动频繁，负荷变化较大，同时又要求保证主、从物料总量保持恒定的工业控制场合2。2.2.3 变比值控制系统在单闭环和双闭环比值控制系统当中，系统运行时，实现的是两种物料之间的恒定比值，保证生产的正常进行。而在有些生产过程当中需要两种物料的比值随着需要而发生变化，这时就需要设计变比值的控制系统。常见的变比值控制系统有串级比值控制系统、有逻辑规律的比值控制系统，它们都能实现比值的变化。而有逻辑规律的比值控制系统不仅可以保持两个物料保持一定的变比，同时还有一定的先后顺序2。本文主要设计目的是对双闭环比值控制系统进行仿真和分析，这里对变比值的控制系统不做详细的介绍。2.3 比值系数的计算比值控制系统是通过对主副物料的流量检测与控制而实现的。在工艺上的比值K直接指的就是主副物料流量之间的比值，但是目前通用的检测变送仪表都是电动仪表或者气动仪表，因此需要把工艺上的流量比值K折算成仪表上的比值系数k，这个过程就是比值系数的折算。流量的检测方式通常有许多种，不同检测方式的比值系数计算方法也有相应的差别。一般的流量检测装置都是通过检测某一物理量的大小，然后根据这个物理量与被测流量之间的关系来计算出流量值，从而实现流量的检测。根据流量计实际检测的物理量与流量之间的关系线性与否，可以将这些检测方法分为线性检测和非线性检测两种5。下面分别介绍线性检测和非线性检测的比值系数的计算方法。2.3.1 线性检测法的比值系数计算流量的线性检测一次仪表有浮子流量计、椭圆齿轮式容积流量计、涡轮流量计等。这一类流量测量仪表的流量都与被测物理量之间呈线性比例关系。当采用DDZ-型电动仪表作为变送器时，其输出信号为直流电流信号4-20mA。也就是说主物料流量由0变到最大值或者副物料流量由0变到最大值时，其各自对应的流量变送器的输出信号应该由4mA变到最大值20mA6。因此任意主物料流量值对应的电流值或者副物料流量值对应的电流值应该为： (2-2) (2-3)这样折算到仪表之后的比值系数大小应该为： (2-4)将式（2-1）、（2-2）、（2-3）分别都代入到式（2-4）当中，并经过化简可以得到折算之后的比值系数为： (2-5)2.3.2 非线性检测法的比值系数计算流量的非线性检测一次仪表有差压式流量计、靶式流量计等，这类流量计都是根据压力来测量流量的，流量Q和压差之间的非线性关系可表示为： (2-6)式（2-6）当中的c为差压式流量计的比例系数，当流量的变送器仍然采用DDZ-型电动仪表时，主物料流量由0变到最大值或者副物料流量由0变到最大值，对应的变送器输出仍为4-20mA。由于直接测量的是压差值，因此某时刻主副物料的实际流量大小和，对应的电流大小和为： (2-7) (2-8)同样，将式（2-1）、（2-7）、（2-8）代入到（2-4）所示的仪表的比值系数公式计算公式得： (2-9)第三章 双闭环比值控制系统的设计当系统负荷变化较大，扰动引起的主、副流量变化较大，同时要求两种物料比值恒定的生产过程中，要选用双闭环比值控制方案，下面详细介绍双闭环比值控制系统的设计。3.1 主从物料的选择在一个比值控制系统当中，对于主从物料的选择影响着系统的控制效果、产品质量，关系到工厂的经济性和安全性。在我们对比值控制系统进行设计时，首先要对主从物料进行选择。一般主从物料的选择要遵循以下的规则：1尽量选择贵重物料为主物料进行控制，其他非贵重物料可以根据控制过程需要增减变化，这样就能够对贵重物料充分利用，从而降低了生产的成本，提高生产的经济性1。2对于有不可控物料存在的情况下，主物料应选择不可控的物料，其他为从物料2。3. 对于某一原料供应不足，而其他原料供应充足的情况下，应选择供应不足的原料作为主物料6。4在化工或制药工业这样的生产过程当中，经常有多种物料同时参与生产过程，而一般又可以将这些物料分成主料和辅料，生产主要是围绕主料进行的，因此应该把生产过程中起主导作用的物料选作为主物料1。5生产过程的控制必须满足生产工艺的要求，因此有时也需要按特殊的工艺需求来确定主从物料 1。3.2 调节器的选择调节器和控制对象组成的一个带有反馈的闭环回路如图3-1所示。图3-1 控制系统示意图调节器根据被调量y与给定值r的偏差信号e进行调节，使执行机构按控制规律动作，从而引起调节机关位置的变化。调节器输入量为偏差e，输出量为调节机关位置，调节器的控制规律就是指调节器的输出量与输入量的动态关系。虽然现在正在研究各种先进的控制算法，同时也有不少先进算法应用到过程控制中，由于PID控制方法具有结构简单、调节方便、抗干扰能力强、方法成熟可靠等优点，至今在过程控制中，90%以上的控制系统仍然采用PID控制方法。常用的调节器按其控制规律可分为P调节器、PI调节器、PD调节器、PID调节器 6。比值控制系统中一般均采用PI控制，只有特殊情况下才采用PID控制7，本设计决定在主动量和从动量的控制回路中均选用PI调节器，能够使主物料、从物料均精确跟随、没有误差，同时参数整定也较为简单。3.3 调节器参数的整定在系统的控制方案以及调节器的类型均确定之后，要想使系统能够实现良好的控制效果，还需要对PI调节器的两个参数进行整定，使系统得到最佳的控制效果。在对两个PI调节器进行整定时，可以分别按照单回路控制系统的整定方法进行整定。而且整定时应使从动量控制环的响应较主动量控制环快，这样从动量控制系统才有可能跟上主动量的变化，保证主、从动量比值恒定。主、从动量控制回路都应将过渡过程整定成非周期临界情况1。对于单回路控制系统的整定有理论计算方法和工程整定方法两种，一般在实际工程中都会采用工程整定方法。工程整定方法有很多如响应曲线法、临界比例度法、衰减曲线法、试凑法等。本文将采用临界比例度法分别对主、从动量的控制回路进行整定，下面详细介绍PI控制器的临界比例度法整定过程。在如式（3-7）所示的PI控制器的传递函数中，如果令 (3-10)其中叫做比例度，TI叫做积分时间常数。则PI控制器的传递函数可以改写为： (3-11)临界比例度法对于PI调节器的整定过程为：1. 先将调节器置为纯比例作用，即令TI=，将比例度置于一个较大的数值，然后把系统投入闭环运行；2. 对系统做阶跃扰动，并逐步减小调节器的比例度，观察不同比例度下系统的调节过程，直到出现等幅振荡为止，记下此时的比例度值为,系统的临界振荡周期为。3. 计算调节器参数：比例度，积分时间常数。4. 按计算得到的参数值设置PI调节器，对系统做阶跃扰动，观察调节过程是否达到控制要求，若控制效果不满意则适当修改调节器的整定参数，直到得到令人满意的控制效果为止。第四章 双闭环比值控制系统的仿真在目前控制系统的仿真当中，MATLAB是比较主流的控制系统仿真软件。MATLAB仿真就是应用MATLAB的Toolbox及其SIMULINK仿真集成环境作为仿真工具，对系统进行仿真8。本次双闭环比值控制系统的设计采用MATLAB仿真软件，来对系统进行仿真和分析。4.1 被控对象的数学模型4.1.1 数学模型的确定本次设计为双闭环比值控制系统的设计，需要分别对主动量控制回路、从动量控制回路进行控制和仿真。主动量控制系统和从动量控制系统的被控对象数学模型如下：主动量控制系统被控对象数学模型为： (4-1)从动量控制系统被控对象数学模型为： (4-2)4.1.2 数学模型的稳定性分析由控制理论知，系统的开环稳定性是系统校正的前提。系统的稳定性分析可以利用频域方法BODE图来实现1。下面用BODE图分别对主动量和从动量控制系统的被控对象数学模型进行稳定性分析。1. 主动量控制系统被控对象数学模型稳定性分析在MATLAB命令窗口输入以下程序： clear all num1=5; den1=18,1; g1=tf(num1,den1); num2,den2=pade(5,20); g2=tf(num2,den2); G1=g1*g2; margin(G1)得到的BODE图如图4-1所示，可见系统的幅值裕度Gm=2.02dB1，系统的相角裕度Pm=23.60,因此主动量被控对象是稳定的。图4-1 主动量被控对象BODE图2. 从动量控制系统被控对象数学模型稳定性分析在MATLAB命令窗口输入以下程序： clear all num1=5; den1=conv(25,1,15,1); g1=tf(num1,den1); num2,den2=pade(5,20); g2=tf(num2,den2); G2=g1*g2; margin(G2)得到的BODE图如图4-2所示，可见系统的幅值裕度Gm=4.83dB1，系统的相角裕度Pm=25.40,因此从动量被控对象也是稳定的。图4-2 从动量被控对象BODE图4.2 控制器参数的整定在第三章中已经提到，本次设计的主动量控制系统和从动量控制系统的控制器形式均选用PI控制器。在确定了被控对象的稳定性之后，双闭环比值控制系统的结构如图4-3所示。图4-3 双闭环比值控制系统框图在图4-3所示的双闭环比值控制系统当中，为主动量控制系统的控制器，为从动量控制系统的控制器，K代表比值，在本设计中取K=3。 (4-3) (4-4)4.2.1 主动量控制器参数整定用临界比例度法对主动量控制系统的控制器进行参数整定，得到的SIMULINK仿真结构框图如图4-4所示。图4-4 主动量控制器参数整定仿真框图对系统做给定值单位阶跃扰动，当时，出现如图4-5所示的临界振荡情况。请补充图中横纵坐标的含义，请全文修改。图4-5 主动量控制器整定临界振荡此时由图4-5可以看出系统的振荡周期为。因此计算出控制器的参数为，。用计算得到的控制器参数对系统进行控制得到的SIMULINK结构框图如图4-6所示，在给定值单位阶跃扰动下的响应曲线如图4-7所示。图4-6 参数整定后主动量控制系统仿真框图请补充图中横纵坐标的含义图4-7 参数整定后主动量控制系统响应曲线由图4-7可知，参数整定后系统的调节时间较短，但是超调量过大，控制效果有待改善。对整定得到的参数进行适当调整，当，时，得到的SIMULINK结构框图如图4-8所示，在给定值单位阶跃扰动下的系统响应曲线如图4-9所示。图4-8 参数修改后主动量控制系统仿真框图图4-9 参数修改后主动量控制系统响应曲线由图4-9可以看出，经过参数的整定和修改之后，主动量控制系统的控制效果已经达到控制要求。因此，最终确定的主动量控制系统的控制器传递函数为： (4-5)4.2.2 从动量控制器参数整定同样，用临界比例度法对从动量控制系统的控制器进行参数整定，得到的SIMULINK仿真结构框图如图4-10所示。图4-10 从动量控制器参数整定仿真框图对系统做给定值单位阶跃扰动，当时，出现如图4-11所示的临界振荡情况。图4-11 从动量控制器整定临界振荡由图4-11可以看出系统的振荡周期为。因此计算出控制器的参数为，。在用计算得到的从动量控制器参数对系统进行控制得到的SIMULINK结构框图如图4-12所示。 图4-12 参数整定后从动量控制系统仿真框图在给定值单位阶跃扰动下系统的响应曲线如图4-13所示。图4-13 参数整定后从动量控制系统响应曲线由图4-13可知，参数整定后系统的调节时间特别长，超调量也特别大，控制效果不能满足要求，需要进一步调整。对整定得到的参数进行适当调整，当，时，得到的SIMULINK结构框图如图4-14所示，在给定值单位阶跃扰动下的系统响应曲线如图4-15所示。图4-14 参数修改后从动量控制系统仿真框图图4-15 参数修改后从动量控制系统响应曲线由图4-15可以看出，经过参数的整定和修改之后，从动量控制系统的控制效果已经达到控制要求。因此，最终确定的从动量控制系统的控制器传递函数为： (4-6)4.3 控制过程的仿真在确定了主动量控制系统和从动量控制系统的被控对象、控制器参数，以及比值关系后，整个双闭环比值控制系统的结构已经完全确定了。下面对已经设计完成的双闭环比值控制系统，进行性能测试和仿真。4.3.1 正常工作情况将所有参数设定好，得到的整个双闭环比值控制系统的SIMULINK仿真结构框图如图4-16所示。图4-16 正常工作情况下双闭环比值控制系统的仿真结构框图主动量给定值为10的情况下，系统的响应曲线如图4-17所示。请补充两种不同颜色的曲线代表的含义，请全文修改。图4-17 正常工作情况下双闭环比值控制系统的响应曲线由图4-17可知，从动量能够较好较快地跟随主动量给定值的变化，稳定后系统能够维持比值不变化，实现了主动量的定值控制和从动量间的随动控制。 4.3.2 从动量受扰动主动量给定值为10，在400s处从动量控制回路受到大小为0.6的阶跃扰动时，系统SIMULINK仿真框图如图4-18所示，对应的响应曲线如图4-19所示。图4-18 从动量受扰动时双闭环比值控制系统的仿真结构框图请补充两种不同颜色的曲线代表的含义，请全文修改。图4-19 从动量受扰动时双闭环比值控制系统的响应曲线由图4-19可知，当系统正常运行过程中，从动量受到扰动时，由于从动量控制回路的存在，系统能够很快的消除扰动对于从动量的影响，而主动量不受从动量扰动的影响。4.3.3 主动量受扰动主动量给定值为10，在400s处主动量控制回路受到大小为0.2的阶跃扰动时，系统SIMULINK仿真框图如图4-20所示，对应的响应曲线如图4-21所示。图4-20 主动量受扰动时双闭环比值控制系统的仿真结构框图图4-21 主动量受扰动时双闭环比值控制系统的响应曲线由图4-21可知，当系统正常运行过程中，主动量受到扰动时，由于主动量控制回路的存在，系统能够很快的消除扰动对主动量的影响，而从动量跟随主动量的值发生的变化而变化，保持主动量之间的比值关系不变，当主动量恢复稳定后，从动量也跟着恢复稳定。4.3.4 系统的鲁棒性分析在实际控制系统中很难得到精确的数学模型，同时模型的参数也会随着时间、温度等因素发生改变，因此分析系统在参数变化下的鲁棒性具有实际意义。本设计在主动量被控对象的延时时间常数变化10%，即延时时间为4.55.5的基础之上，分析系统的鲁棒性。在时间常数分别为4.5s，5s，5.5s下系统的SIMULINK仿真结构框图如图4-22所示，其中延时选择模块Subsystem的展开图如图4-23所示。图4-22 双闭环比值控制系统鲁棒性分析仿真框图图4-23 延时选择模块展开图在如图4-22所示的双闭环比值控制系统当中，主动量控制系统在400s处受到大小为0.2的阶跃扰动时，延时时间常数分别为4.5s，5s，5.5s的三个系统的响应曲线如图4-24所示。图4-24 主动量受扰动时系统的响应曲线文字描述与图并不一致，请检查修改，并补充两种颜色的含义。在如图4-22所示的双闭环比值控制系统当中，从动量控制系统在400s处受到大小为0.6阶跃扰动时，延时时间常数分别为4.5s，5s，5.5s的三个系统的的响应曲线别如图4-25所示。图4-25 从动量受扰动时系统的响应曲线文字描述与图并不一致，请检查修改，并补充两种颜色的含义。由图4-24和4-25可知，当主动量控制系统的延时时间常数发生变化时，系统的响应曲线有一定的变化，但变化非常微小，不影响系统的控制效果，因此可知系统的鲁棒性较强。通过对双闭环比值控制系统在正常工作情况下、从动量受扰动时、主动量受扰动时三种不同情况下的系统进行MATLAB仿真，并分析每种情况下系统的控制效果，说明双闭环比值控制系统，由于对主从动量分别设计了控制回路，这样就能够对主动量扰动和从动量扰动分别进行有效的克服，主动量控制系统实现了对于主动量的定值控制，从动量控制系统实现了从动量对于主动量的快速准确跟随，从而使主从动量之间的比值维持设定比值不变。同时通过对系统的鲁棒性进行分析可知所设计的双闭环比值控制系统的鲁棒性良好。结 论在电力、化工、炼油、水泥及其他许多的实际工业生产过程中，都存在着按原料配比进行生产、要求控制参数之间保持一定比值的情况，而且这个比值非常重要，影响着工厂运行的经济性和安全性。因此要研究怎样对于原料或参数之间的比值进行有效控制，使它们维持规定的数值不变。比值控制系统的类型有很多，按照比值变化与否可以分为定比值控制系统和变比值控制系统，而根据控制方案的不同比值控制系统又可以分为单闭环、双闭环、串级以及有逻辑规律的比值控制系统。其中单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统都属于定比值控制系统，它们可以实现对于几个物料或参数之间的比值保持一定不变化；串级比值控制系统和有逻辑规律的比值控制系统都属于变比值控制系统，它们能够根据生产实际的要求适当改变比值的大小。本文当中主要做了以下的工作：1. 首先介绍了比值控制的实际意义；2. 详细介绍了单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统的系统结构、性能特点，并对变比值控制系统进行了简单的介绍；3. 对设计双闭环比值控制系统时应当考虑的主从物料的选择、控制器形式的选择、控制器参数的整定等都进行了详细的说明；4. 利用MATAB仿真软件对设计的双闭环比值控制系统进行了控制器参数的整定，然后分别对于系统在正常工作时、主动量受到扰动作用时、从动量受到扰动时都进行了仿真和性能分析，最后仿真分析了系统的鲁棒性。通过对本次双闭环比值控制系统的设计和仿真研究，可以知道，对要求保持恒定比值的被控对象进行控制时，双闭环比值控制系统对主动量和从动量分别设计了各自的控制回路，能够对于主动量和从动量上发生的扰