MATLAB建模与仿真应用教程 第2版 作者 赵魁 第10章.ppt

第10章 过程控制系统的设计与仿真 本章要点： 过程控制系统设计的步骤 数字PID控制器及其MATLAB实现 液位前馈 — 反馈控制系统的设计与仿真实例 锅炉内胆水温定值控制系统的设计与仿真实例 在线教务辅导网： 教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网 QQ:349134187 或者直接输入下面地址： §10.1 过程控制系统概述 20世纪40年代开始形成的控制理论、信息论、系统理论构成了“信息社会的三大基础理论体系”。以传递函数为基础，在频率域对单输入-单输出系统进行分析与设计的理论，被称为经典控制理论，其最辉煌的成功要首推比例-积分-微分控制(PID)。 §10.1 过程控制系统概述 所谓过程控制，是生产过程自动化的简称，泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的，或按一定周期程序进行的生产过程的自动控制。 §10.1 过程控制系统概述 一. 过程控制系统的组成 过程控制的基本工作过程是，先通过检测仪表测量生产过程工艺参数，并将其变换成电信号，然后经过采样保持器根据需要采入信号，再经放大器、模数转换器变换为对应的数字信号，送入计算机存储作为原始数据，再然后计算机根据事先建立好的数学模型和算法处理这些原始数据，最后将计算结果输送至控制仪表或者执行机构去控制生产过程。 §10.1 过程控制系统概述 二. 典型过程控制系统的数学模型 单回路控制系统中输入/输出的传递函数为： 1. 被控变量的确定 被控变量可以是直接测量得到的，也可以是通过间接计算获得。如果被控变量是仪表可以直接显示的温度、压力、流量或液位等参量时，可以采用直接测量获得被控变量；如果需要间接测量，则需要选择易测量的量，通过软件计算得到被控变量。 §10.1 过程控制系统概述 二. 典型过程控制系统的数学模型 2. 操纵变量的确定 操纵变量确定主要是为了克服干扰对被控变量产生影响。 3. 检测装置和转换器的选择 检测装置又称为传感器，是将被控变量转换成与输出量相对应的电信号；转换器又称为变送器，是将检测装置输出的电信号进行放大并转换成统一标准的电信号或气信号。 §10.1 过程控制系统概述 二. 典型过程控制系统的数学模型 4. 执行机构的选择 执行机构又称为控制阀，是根据控制装置的输出指令，直接控制介质输送量的元件。 5. 控制装置的确定 根据控制规律的特点选择比例（P）控制器、比例积分（PI）控制器、比例微分（PD）控制器或者比例积分微分（PID）控制器。 根据被控变量来选择液位控制系统、流量控制系统、温度控制系统或者压力控制系统。 §10.1 过程控制系统概述 二. 典型过程控制系统的数学模型 6. 控制装置参数的整定 控制装置确定后，接下来就是控制装置中各个参数的整定。理论上，通常采用微分方程、频域分析法或根轨迹法对系统的数学模型进行分析；工程上，通常采用经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法或自整定法对系统直接进行整定。 7. 控制系统的投运 即系统投入使用的过程。 §10.2 数字PID控制器 过程控制系统中，控制器是系统的核心。一个恰当的控制器是保证工业生产正常稳定运行的前提。根据控制器的输出信号与偏差信号之间的变化规律，选择比例控制、比例积分控制、比例微分控制或者比例积分微分控制。随着计算机技术的不断地发展，数字PID控制（即比例积分微分控制）逐渐普遍化，而计算机控制系统对被控变量的处理在时间上是离散断续进行的，即每一个控制回路采取的是采样控制，因此，数字PID控制是根据模拟控制器的理想PID算法加以离散化而获得的。 §10.2 数字PID控制器 一. 数字PID控制算法 典型的数字PID控制器的结构为： PID控制器的数学表达式： 变换后的传递函数： §10.2 数字PID控制器 一. 数字PID控制算法 根据PID控制器的传递函数可知，输出量与输入量之间的关系变化主要取决于比例增益、积分时间常数和微分时间常数。 当积分环节为零时，控制器为PD控制器；当微分环节为零时，控制器为PI控制器。 §10.2 数字PID控制器 二. 位置PID控制算法 位置PID控制器输入/输出的数学表达式： §10.2 数字PID控制器 二. 位置PID控制算法 例