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MATLAB在过程控制中的应用MATLAB在过程控制中的应用摘要:串级控制系统具备较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量,因此在复杂的过程控制 工业中得到了广泛的应用.对串级控制系统的特点和主副回路设计进行了详述,设计了双容无自衡串级液位控制系统,并将基于MATLAB的增量式PID算法应用在控制系统中.结合基于计算机控制的PID参数整定方法实现串级控制,控制结果表明系统具有优良的控制精度和稳定性.一.串级控制系统 1.1串级控制系统的特点 串级控制系统适用于时间常数及纯滞后较大的对象.串级系统与单回路系统的区别在于前者可获得可测中间变量,并利用它构成副反馈回路,对影响中间变量的干扰进行预先调节,从而改善整个系统的动态品质.串级控制系统在提高系统控制质量方面主要表现在:（1)对进入副回路的二次干扰有很强的克服能力;（2)改善了被控过程的动态特性,提高了系统的工作频率;（3)串级控制系统减小了对象时间常数;（4)对负荷或操作条件的变化有较强的适应能力，串级控制系统的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量都比单回路要好。一般应用在下列情况:控制通道纯延迟时间较长;对象容量滞后大;负荷变化大,被控对象又具有非线性;系统存在变化剧烈的干扰。1.2串级控制系统的设计1.2.1主参数的选择和主回路的设计 串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。主回路是一个定值控制系统,对于主参数的选择和主回路的设计,基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行.凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数.若条件许可,可以选用质量指标作为主参数,因为它最直接也最有效.否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数.另外,对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度,并符合工艺过程的合理性.1.2.2副参数的选择和副回路的设计 串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点.在副回路设计时,要充分发挥这一特点,把生产过程中的主要扰动(并可能多的把其它一些扰动)包括在副回路中,以尽量减少对主参数的影响,提高主参数的控制质量.在选择副参数进行副回路设计时,必须注意主、副过程时间常数的匹配问题.因为它是串级控制系统正常运行的主要条件,是保证安全生产、防止共振的根本措施. 二.基于MATLAB的串级控制系统 2.1控制系统框架 串级控制系统主被控对象为下水箱液位，上水箱液位作为副回路控制对象。控制系统框图如图1-1所示。图1-1、基于MATLAB上水箱下水箱液位串级控制框图2.2通过计算机仿真获得控制参数串级控制系统的控制目标主要由外环实现，生产工艺提出的性能指标也都针对外环。内环主要用于尽快克服其作用范围内的扰动，对静态误差没有要求。所以本实验建议内环（副回路）使用速度最快的比例调节器（P型）；而外环（主回路）要使用能消除静态误差的比例积分调节器（PI型）。主回路被控对象“下水箱”的数学模型为“上水箱液位到下水箱液位”之间的传递函数。由于两个水箱贴近，滞后时间可以忽略。为节省实验时间，使两个阀门的开口度相同，又由于两个水箱结构和尺寸相同，所以下水箱传递函数中的时间常数与上水箱相同，增益为“1”。据此可以写出上水箱和下水箱的传递函数分别为：G2(s)为副回路广义被控对象(上水箱等)传递函数，其中K2为增益，T2为时间常数，为滞后时间，已经在实验一中得到。滞后时间可取3秒。G1(s)为主回路被控对象(下水箱)传递函数，其中增益K1=1，时间常数T1=T2。有了数学模型，图1-2两个控制器的参数就可以通过MATLAB仿真得到。画出整个串级控制系统的MATLAB仿真模型，如图1-2。注意要把其中的K1、K2、T1、T2、替换为求得的数值。为了适合实验软件中PID控制的算法（即适合组态软件使用的计算公式），设置“Gain1”的放大系数为0.004（=(5-1V)/1000mm，液位传感器决定）；Gain”的放大系数为3.4（=340mm/100，即调节器输出100对应340mm液位给定）。打开两个“PID Controller”的对话框，在“PID Advanced”选项卡中把控制器的限幅值都设置为“0100”。控制器参数的整定应该先内环（副回路）后外环（主回路），计算机仿真也是如此。先把副回路比较器（PID Controller前的Sum模块）“+”输入端从Gain输出端断开，连接到Step模块的输出端。通过所学的方法获取副回路控制器（PID Controller）的参数，并把参数升级到控制器内。这里控制器选P型，要求上升时间适当快。然后恢复副回路比较器“+”输入端的原来接线。在副回路控制器参数设置为确定数值后，启动主回路控制器“PID Controller1”参数的仿真获取，并把参数升级到控制器内。这里控制器选PI型。主回路仿真时发现副回路控制参数不妥时，需要修改并重新仿真。2.3、用衰减曲线法获取主回路控制参数由于数学模型有时难以得到，工程整定法也很实用。本实验中主回路控制参数的整定也推荐试试“衰减曲线法”。衰减曲线法是闭环整定法,通过使系统产生 “41”的衰减振荡来获取控制器的整定参数。其步骤如下。、使调节器仅为比例控制，比例带设为较大值，TI=，TD=0，让系统投入运行。、待系统稳定后，作设定值阶跃变化，并观察系统的响应。若系统响应衰减太快，则减小比例带；反之，若系统响应衰减过慢，应增大比例带。如此反复，直到系统出现4:1衰减振荡过程。记录下此时的值（设为s ）、Ts值。如图1-3所示。图1-3控制器参数的整定值按表1-1中公式计算。表1-1 4:1衰减曲线法整定计算公式 整定参数调节规律TITDPsPI1.2s0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts说明：比例带也叫比例度，通常用字母表示，其定义为：“比例带”=“对应输出有效变化范围的输入变化范围”/“输出有效变化范围”控制器的增益P与成倒数关系。2.4控制结果 对系统进行反复调试,使液位快速稳定在给定值上,这时给定值应与反馈值相同.待液位稳定后,在上水位液上加扰动,如果扰动比较大或参数并不理想,虽经过副回路的校正,还将影响液位,此时再由主回路进一步调节,从而完全克服上述扰动,使液位调回到给定值上.当扰动加在下水箱时,扰动使液位发生变化,主回路产生校正作用,克服扰动对液位的影响.由于副回路的存在加快了校正作用,使扰动对液位的影响较小. 在监控软件中界面可以看到如图1-4所示实时控制曲线. 图1-4根据串接系统调节器参数的工程整定方法一步整 定法对系统进行整定.将主调节器按4：1衰减曲线法进行整定。经整定后的系统曲线如图1-5所示。图1-5三.结论 1)对于含有纯滞后的双容无自衡过程,采用单