过程控制MATLAB仿真过程控制及其MATLAB实现第2版借鉴教学

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1、estest第第13章章 过程控制过程控制MATLAB仿真仿真1技术教育13.1 基于基于MATLAB的系统建模的系统建模 v本节利用本节利用MATLAB强大的数值计算和仿真强大的数值计算和仿真能力，对几类典型的工业过程对象进行仿能力，对几类典型的工业过程对象进行仿真，并解决测试建模中的数学计算问题，真，并解决测试建模中的数学计算问题，以期使读者深入了解工业过程对象的特性，以期使读者深入了解工业过程对象的特性，掌握各种测试建模的实现方法。掌握各种测试建模的实现方法。 2技术教育13.1.1典型工业过程的阶跃响应仿真典型工业过程的阶跃响应仿真v典型的工业过程模型：典型的工业过程模型：1.一阶惯性

2、加纯延迟环节一阶惯性加纯延迟环节2.二阶惯性加纯延迟环节二阶惯性加纯延迟环节3.纯积分环节纯积分环节 4.带纯积分的惯性环节带纯积分的惯性环节 自自衡衡能能力力的的对对象象 无无自自衡衡能能力力的的对对象象 3技术教育1.一阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真一阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真一阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真一阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真 v一阶惯性加纯延迟环节数学模型：一阶惯性加纯延迟环节数学模型：其中，其中，K为对象的稳态增益，为对象的稳态增益，T为对象的惯性时间常数，为对象的惯性时间常数，为对象的纯延迟时间。为对象的纯延迟时间。v仿真实例：仿真实例：以下分别就式（以下分

3、别就式（13.5）所述系统中稳态增益）所述系统中稳态增益K由由8变为变为4、时间常数时间常数T由由10变为变为20、纯延迟时间、纯延迟时间由由5变为变为10等情况等情况下的单位阶跃响应分别进行仿真。下的单位阶跃响应分别进行仿真。v程序代码参见程序代码参见 chap1311_1.m （13.1）（13.513.5） 4技术教育1.一阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真一阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真一阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真一阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真 v仿真结果仿真结果图图13.1 一阶惯性加纯延迟环节的一阶惯性加纯延迟环节的单位阶跃响应单位阶跃响应 图图13.2 稳态增益稳态增益

4、K不同时的不同时的单位阶跃响应差异单位阶跃响应差异 有自平衡能力有自平衡能力 稳态增益是系统输出稳态增益是系统输出对输入的放大程度对输入的放大程度 5技术教育1.一阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真一阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真一阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真一阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真v仿真结果仿真结果图图13.3 惯性时间常数惯性时间常数T不同时的不同时的单位阶跃响应差异单位阶跃响应差异 图图13.4 纯延迟时间纯延迟时间不同时的不同时的单位阶跃响应差异单位阶跃响应差异惯性时间常数大惯性时间常数大系统动作响应慢系统动作响应慢 纯延迟时间增大纯延迟时间增大系统对输入的响应系统对输入

5、的响应开始时间推后开始时间推后 6技术教育2.二阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真二阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真v二阶惯性加纯延迟环节的数学模型二阶惯性加纯延迟环节的数学模型v仿真实例仿真实例（13.2）v二阶惯性加纯延迟环节的数学模型二阶惯性加纯延迟环节的数学模型v仿真实例（仿真实例（chap1311_2.m ）该模型可分解为该模型可分解为2个一阶惯性环节的串联个一阶惯性环节的串联 （13.2）（13.6）7技术教育2.二阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真二阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应仿真v仿真结果仿真结果n二阶惯性环节由两个一阶惯性环节串联而得；n仍具有自平衡能力；n其阶跃响应呈现S形特征

6、。 图图13.5 二阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应二阶惯性加纯延迟环节的阶跃响应 8技术教育3.纯积分环节的阶跃响应仿真纯积分环节的阶跃响应仿真 v纯积分环节的数学模型纯积分环节的数学模型其中其中Ta为积分时间常数，为积分时间常数，为纯延迟时间。为纯延迟时间。纯积分环节是无自衡能力的环节。纯积分环节是无自衡能力的环节。v仿真实例仿真实例 （chap1311_3.m ）（13.3）（13.9）9技术教育3.纯积分环节的阶跃响应仿真纯积分环节的阶跃响应仿真v仿真结果仿真结果图图13.6 纯积分环节的阶跃响应纯积分环节的阶跃响应 图图13.7 纯积分环节纯积分环节G(s)=1/2s对方波输入的响应对方

7、波输入的响应 10技术教育4.带纯积分的惯性环节带纯积分的惯性环节 v带纯积分的惯性环节的数学模型带纯积分的惯性环节的数学模型与纯积分环节相同，它也是一个无自衡能力的与纯积分环节相同，它也是一个无自衡能力的环节。环节。 v仿真实例（仿真实例（chap1311_4.m ）（13.4）（13.10）11技术教育4.带纯积分的惯性环节带纯积分的惯性环节 v仿真结果仿真结果图图3.8 带纯积分的惯性环节的阶跃响应带纯积分的惯性环节的阶跃响应 12技术教育13.1.2 一阶系统作图法建模及仿真一阶系统作图法建模及仿真 v一阶系统作图法建模，首先要假定被控对一阶系统作图法建模，首先要假定被控对象为一阶惯性

8、加纯延迟形式象为一阶惯性加纯延迟形式 ：其中，其中，K为对象的稳态增益，为对象的稳态增益，T为对象的惯性时为对象的惯性时间常数，间常数，为对象的纯延迟时间。作图法的目的为对象的纯延迟时间。作图法的目的是根据被控对象的阶跃响应曲线，通过作图的是根据被控对象的阶跃响应曲线，通过作图的方式确定公式方式确定公式(13.11)中的三个参数中的三个参数K，T，和，和。（13.11）13技术教育13.1.2 一阶系统作图法建模及仿真一阶系统作图法建模及仿真v仿真实例仿真实例设某液位对象在阶跃扰动量设某液位对象在阶跃扰动量u=20%时的响应时的响应实验结果如表实验结果如表13.1所示，试用作图法对该对象所示，

9、试用作图法对该对象建立一阶惯性加纯延迟的数学模型。建立一阶惯性加纯延迟的数学模型。 14技术教育13.1.2 一阶系统作图法建模及仿真一阶系统作图法建模及仿真v仿真步骤（仿真步骤（chap1312.m ）1.根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值，由根据输出稳态值和阶跃输入的变化幅值，由公式公式(2.43)求得对象的稳态增益求得对象的稳态增益 ：2.根据表根据表13.1中的实验数据，利用中的实验数据，利用MATLAB对对该组数据做平滑处理，之后画出该液位系统该组数据做平滑处理，之后画出该液位系统的阶跃响应曲线，如图的阶跃响应曲线，如图13.9所示所示 。图图13.9 用作图法确定参数用作图法确定参

10、数T和和 15技术教育13.1.2 一阶系统作图法建模及仿真一阶系统作图法建模及仿真v仿真步骤仿真步骤3.根据作图法，在曲线拐点处作切线，与横坐根据作图法，在曲线拐点处作切线，与横坐标交点处坐标为标交点处坐标为40，与曲线稳态值渐近线交，与曲线稳态值渐近线交点的横坐标值为点的横坐标值为260，故，故 ：4.由由(1)、(3)步结果可得，该液位对象的数学模步结果可得，该液位对象的数学模型为型为 ：图图13.9 用作图法确定参数用作图法确定参数T和和 16技术教育13.1.2 一阶系统作图法建模及仿真一阶系统作图法建模及仿真v仿真分析仿真分析1.作图法所得模型与实验数据模型的比较作图法所得模型与实

11、验数据模型的比较 图图13.10 作图法建立的系统模型与实验数据模型对比作图法建立的系统模型与实验数据模型对比 作图法得到的模型与实际系统模型有差距 17技术教育13.1.2 一阶系统作图法建模及仿真一阶系统作图法建模及仿真v仿真分析仿真分析2.作图法在拐点和切线选取不同时所得结果的作图法在拐点和切线选取不同时所得结果的比较比较 18技术教育13.1.2 一阶系统作图法建模及仿真一阶系统作图法建模及仿真v仿真分析仿真分析2.作图法在拐点和切线选取不同时所得结果的作图法在拐点和切线选取不同时所得结果的比较比较 图图13.12 系统实验模型及不同作图法系统实验模型及不同作图法所得系统模型的比较所得

12、系统模型的比较19技术教育13.1.3 一阶系统两点法建模及仿真一阶系统两点法建模及仿真 v相比作图法的随意性，两点法通过求解方相比作图法的随意性，两点法通过求解方程组来获取一阶系统中的两个时间常数程组来获取一阶系统中的两个时间常数T和和，因而较为准确。，因而较为准确。 v两点法的两点法的简便方法便方法在在阶跃响响应曲曲线上上选取两个特殊点：取两个特殊点：y*( t1)=0.39，y* (t2)=0.63（其中（其中y*为系系统输出出y的无的无量量纲值），），则可解方程得：可解方程得： （13.14）20技术教育13.1.3 一阶系统两点法建模及仿真一阶系统两点法建模及仿真v仿真实例（仿真实例

13、（chap1313.m ）采用两点法求取表采用两点法求取表13.1所述的某液位对象的一所述的某液位对象的一阶系统模型参数。阶系统模型参数。图图13.13 两点法所得一阶系统及实际系统的阶跃响应两点法所得一阶系统及实际系统的阶跃响应 两点法较作图法可得到更两点法较作图法可得到更为准确的一阶系统模型为准确的一阶系统模型 21技术教育13.1.4 二阶系统两点法建模及仿真二阶系统两点法建模及仿真 v二二阶惯性加性加纯延延迟环节 中的模型参数中的模型参数K, T1, T2和和可由可由环节的的阶跃响响应曲曲线求取。其中求取。其中稳态增益增益K可由公式可由公式(2.43)求出，求出，纯延延迟时间可依据可依

14、据阶跃响响应初期初期无无变化化时间段直接段直接读出，余下的出，余下的时间常数常数T1和和T2则通通过两两点法算出。点法算出。v两点法具体方法：两点法具体方法：获取取阶跃响响应上两点（上两点（ ）和（）和（ ），通），通过解方程确定解方程确定T1和和T2。一般，。一般，为求解方便起求解方便起见， 和和 可取可取0.4和和0.8，此，此时可可按如下公式可求出按如下公式可求出T1和和T2。22技术教育13.1.4 二阶系统两点法建模及仿真二阶系统两点法建模及仿真v仿真实例（仿真实例（chap1314.m ）图图13.14 两点法所得一阶、二阶和实际系统的阶跃响应两点法所得一阶、二阶和实际系统的阶跃响

15、应 两点法所求二阶系统与实际两点法所求二阶系统与实际系统基本接近；系统基本接近；用二阶环节比一阶环节在延用二阶环节比一阶环节在延迟部分更为精确迟部分更为精确 23技术教育13.2 基于基于MATLAB的的PID控制仿真控制仿真 vPID调节以其简单实用的特点在过程控制领调节以其简单实用的特点在过程控制领域获得了最为广泛的应用。域获得了最为广泛的应用。v本节旨在通过本节旨在通过MATLAB仿真探讨仿真探讨PID调节中调节中P（比例）、（比例）、I（积分）、（积分）、D（微分）及其组（微分）及其组合形式的功能及特点。合形式的功能及特点。 24技术教育13.2.1 P、I、D及其组合控制的仿真及其组

16、合控制的仿真 v仿真实例仿真实例设如下控制系统设如下控制系统以下编写以下编写MATLAB程序，就分别程序，就分别 为为P、PI、PD和和PID等形式下系统的阶跃响应进行仿真。等形式下系统的阶跃响应进行仿真。常规的常规的PID调节规律为调节规律为 ： （13.21）25技术教育1. P调节仿真调节仿真v设调节器的传递函数为：设调节器的传递函数为：为分析比例系数为分析比例系数Kp对系统动态响应的影响，仿对系统动态响应的影响，仿真中分别设定真中分别设定Kp为为0.7，1.7和和2.7等三种情况。等三种情况。仿真程序参见仿真程序参见chap1321_1.m。 （13.22）26技术教育1. P调节仿真

17、调节仿真v纯纯P调节仿真结果：调节仿真结果：图图13.16 纯纯P作用下系统的阶跃响应作用下系统的阶跃响应 1）纯）纯P调节是有差调调节是有差调节；节；2）随着比例作用的）随着比例作用的增大（比例系数增大（比例系数Kp的增大），系统的稳的增大），系统的稳态误差减小，响应速态误差减小，响应速度加快，但超调变大。度加快，但超调变大。 27技术教育2. PI调节仿真调节仿真vPI调节器的传递函数为：调节器的传递函数为：为分析积分时间常数为分析积分时间常数TI对系统动态响应的影响，对系统动态响应的影响，仿真中分别设定仿真中分别设定TI为为1，2和和4等三种情况。等三种情况。仿真程序见仿真程序见chap

18、1321_2.m 。 （13.23）28技术教育2. PI调节仿真调节仿真vPI调节仿真结果调节仿真结果图图13.17 PI作用下系统的阶跃响应作用下系统的阶跃响应1）在纯）在纯P作用下引入积分，作用下引入积分，消除了余差，即：积分调消除了余差，即：积分调节是无差调节；节是无差调节；2）随着积分作用的增强）随着积分作用的增强（积分时间常数（积分时间常数TI减小），减小），系统响应速度加快，超调系统响应速度加快，超调大，振荡加剧大，振荡加剧。 29技术教育3. PD调节仿真调节仿真vPD调节器的传递函数为：调节器的传递函数为：为分析微分时间常数为分析微分时间常数TD对系统动态响应的影响，对系统动

19、态响应的影响，仿真中分别设定仿真中分别设定TD为为0.3和和0.6两种情况。两种情况。仿真程序参见仿真程序参见chap1321_3.m 。 （13.24）30技术教育3. PD调节仿真调节仿真vPD调节仿真结果调节仿真结果图图13. 18 PD作用下系统的阶跃响应作用下系统的阶跃响应 1）在纯）在纯P作用下引入微分作用下引入微分不能消除系统余差；不能消除系统余差；2）微分作用越强（微分）微分作用越强（微分时间时间TD越大），系统越大），系统响应速度越快，系统响应速度越快，系统越稳定。越稳定。31技术教育4. PID调节仿真调节仿真vPID调节器的传递函数为：调节器的传递函数为：仿真程序仿真程序

20、chap1321_4.m 中中PID调节器参数：调节器参数：kp=1.5，Ti=2，Td=0.4。（13.25）32技术教育4. PID调节仿真调节仿真vPID调节仿真结果调节仿真结果图图13.19 PID、P、PI、PD作用下系统的阶跃响应作用下系统的阶跃响应1）较纯）较纯P、PD调节，调节，PID调调节由于引入了积分，因而消节由于引入了积分，因而消除了余差；除了余差；2）与）与PI调节相比，调节相比，PID调节调节由于引入了微分，因而具有由于引入了微分，因而具有更为稳定的控制效果。更为稳定的控制效果。3）所以，）所以，PID调节在参数整调节在参数整定合适的情况下能综合达到定合适的情况下能综

21、合达到超调量、上升时间、调节时超调量、上升时间、调节时间、余差等多项性能指标的间、余差等多项性能指标的要求，是非常理想的调节器。要求，是非常理想的调节器。 33技术教育13.2.2 抗积分饱和控制方法及仿真抗积分饱和控制方法及仿真 v积分饱和问题积分饱和问题在调节器中引入积分环节可消除系统余差；在调节器中引入积分环节可消除系统余差；但积分的引入可能会带来调节器输出的饱和。但积分的引入可能会带来调节器输出的饱和。积分饱和常发生在给定值的大幅度增减、系统积分饱和常发生在给定值的大幅度增减、系统输出长期偏离设定值而得不到修正等情况下。输出长期偏离设定值而得不到修正等情况下。v常用的抗积分饱和方法常用

22、的抗积分饱和方法积分分离法积分分离法遇限削弱积分法遇限削弱积分法限制限制PI（或（或PID）调节器输出在规定范围内）调节器输出在规定范围内34技术教育积分分离法积分分离法 v积分分离法原理：积分分离法原理：依据控制偏差的大小决定积分作用投入与否依据控制偏差的大小决定积分作用投入与否.即人为设定一个偏差限值即人为设定一个偏差限值，当误差当误差e 时，调节器中撤掉积分作用，以避免过大偏时，调节器中撤掉积分作用，以避免过大偏差的累积造成积分饱和。差的累积造成积分饱和。v积分分离控制算法的离散形式为积分分离控制算法的离散形式为 ：（13.26）: 积分项的开关系数积分项的开关系数Ts为采样时间为采样时

23、间35技术教育积分分离法仿真实例积分分离法仿真实例v设某被控过程为一阶惯性加纯延迟环节：设某被控过程为一阶惯性加纯延迟环节：v运用积分分离法控制该对象运用积分分离法控制该对象v设仿真中输入幅值为设仿真中输入幅值为40的阶跃信号，控制器采用的阶跃信号，控制器采用PID形式，且要求控制器输出限幅在形式，且要求控制器输出限幅在-100，100区间，仿真时长区间，仿真时长200s。v积分分离法仿真程序参见积分分离法仿真程序参见chap1322.m 。 （13.28）36技术教育积分分离法仿真实例积分分离法仿真实例v仿真结果仿真结果积分分离的控制效果积分分离的控制效果要优于常规要优于常规PID调节器调节

24、器的控制效果，且调节的控制效果，且调节器的输出幅值及其波器的输出幅值及其波动也较常规动也较常规PID的小。的小。 37技术教育13.2.3 改进的微分控制方法及仿真改进的微分控制方法及仿真 v微分调节中的问题：微分调节中的问题：在调节器中引入微分可改善系统的动态性能；在调节器中引入微分可改善系统的动态性能；但微分对高频干扰、给定值突变等引起输出突但微分对高频干扰、给定值突变等引起输出突变的因素很敏感。变的因素很敏感。v常用的微分项改进算法有：常用的微分项改进算法有：有不完全微分、微分先行等。有不完全微分、微分先行等。 38技术教育不完全微分不完全微分 v不完全微分的原理：不完全微分的原理：在在

25、PID调节器的微分项后串联一个低通滤波器，调节器的微分项后串联一个低通滤波器，或在或在PID调节器后再串联一个低通滤波器。调节器后再串联一个低通滤波器。v微分项后串联低通滤波器型不完全微分算法：微分项后串联低通滤波器型不完全微分算法：v离散化算法：离散化算法： （13.29）为低通低通滤波器的波器的滤波系数波系数 39技术教育不完全微分仿真实例不完全微分仿真实例v考虑被控对象：考虑被控对象：v为说明微分对频繁扰动的敏感性及不完全为说明微分对频繁扰动的敏感性及不完全微分的改进效果，仿真中在对象输出端加微分的改进效果，仿真中在对象输出端加入幅值为入幅值为0.01的随机噪声。的随机噪声。v仿真中采用

26、的低通滤波器为：仿真中采用的低通滤波器为：v仿真程序参见仿真程序参见chap1323.m 。40技术教育不完全微分仿真实例不完全微分仿真实例v仿真结果仿真结果在应对高频干扰时，在应对高频干扰时，不完全微分不完全微分PID的的控制效果要显著优控制效果要显著优于常规于常规PID的控制的控制效果效果 41技术教育13.3 基于基于MATLAB的串级控制仿真的串级控制仿真v相比单回路控制，串级控制在主回路内增相比单回路控制，串级控制在主回路内增加了一个副回路，从而对包含在副回路中加了一个副回路，从而对包含在副回路中的二次干扰有很强的抑制作用，同时可显的二次干扰有很强的抑制作用，同时可显著缩短副回路的时

27、间常数，提高系统的工著缩短副回路的时间常数，提高系统的工作频率。作频率。 42技术教育13.3 基于基于MATLAB的串级控制仿真的串级控制仿真v仿真实例仿真实例设某工业过程由如下主副被控对象串联而成设某工业过程由如下主副被控对象串联而成: 43技术教育13.3 基于基于MATLAB的串级控制仿真的串级控制仿真1.单回路单回路PID控制系统控制系统Simulink仿真模型仿真模型该仿真模型中该仿真模型中PID控制器的参数控制器的参数kc, ti, td由模块由模块“Signal Constraint”优化而得优化而得优化计算出的优化计算出的PID参数为：参数为：kc = 5.3099, td

28、=4.3676, ti =61.8980 单回路单回路PID控制系统阶跃响应控制系统阶跃响应 44技术教育13.3 基于基于MATLAB的串级控制仿真的串级控制仿真2.串级控制串级控制Simulink仿真模型仿真模型 PID控制 P控制 串级控制系统的阶跃响应串级控制系统的阶跃响应 45技术教育13.3 基于基于MATLAB的串级控制仿真的串级控制仿真3.单回路控制和串级控制的抗二次干扰能力单回路控制和串级控制的抗二次干扰能力分析：分析：串级控制的抗二次干扰能力优于单回路控制串级控制的抗二次干扰能力优于单回路控制 46技术教育13.3 基于基于MATLAB的串级控制仿真的串级控制仿真v单回路控

29、制系统中加入方波型二次干扰的单回路控制系统中加入方波型二次干扰的Simulink仿真模型仿真模型 47技术教育13.3 基于基于MATLAB的串级控制仿真的串级控制仿真v串级控制系统中加入方波型二次干扰的串级控制系统中加入方波型二次干扰的Simulink仿真模型仿真模型 48技术教育13.3 基于基于MATLAB的串级控制仿真的串级控制仿真v仿真结果仿真结果 （a）单回路控制的二次干扰响应）单回路控制的二次干扰响应 （b）串级控制的二次干扰响应）串级控制的二次干扰响应仿真结果表明：仿真结果表明： 对引入副回路的二次干扰，串级控制能很好地加以抑制，而单对引入副回路的二次干扰，串级控制能很好地加以

30、抑制，而单回路控制系统对二次干扰的抑制能力则明显要差些。回路控制系统对二次干扰的抑制能力则明显要差些。49技术教育13.4 基于基于MATLAB的补偿控制仿真的补偿控制仿真 v在常规的在常规的PID控制难以获得理想控制效果的控制难以获得理想控制效果的情况下，有时可考虑在系统中增加情况下，有时可考虑在系统中增加“补偿补偿控制器控制器”。v本节讨论前馈补偿和本节讨论前馈补偿和Simith预估补偿控制预估补偿控制的仿真。的仿真。 50技术教育13.4.1 前馈控制仿真前馈控制仿真 v与反馈控制器不同，前馈控制器的输入来自干扰信号。与反馈控制器不同，前馈控制器的输入来自干扰信号。v一旦有干扰，前馈控制

31、器会立即做出反应，以补偿干扰对一旦有干扰，前馈控制器会立即做出反应，以补偿干扰对被控变量的影响。被控变量的影响。v但每个前馈控制器只针对某一单个的干扰信号起作用；但每个前馈控制器只针对某一单个的干扰信号起作用；v此外，前馈控制对干扰抑制的效果取决于其对过程通道和此外，前馈控制对干扰抑制的效果取决于其对过程通道和干扰通道特性的了解程度，一旦模型估计有误差，或系统干扰通道特性的了解程度，一旦模型估计有误差，或系统特性发生变化，则前馈控制将无法完全补偿干扰对系统输特性发生变化，则前馈控制将无法完全补偿干扰对系统输出的影响，而只能依靠反馈控制来克服前馈控制的不足。出的影响，而只能依靠反馈控制来克服前馈

32、控制的不足。v故，总体来说，前馈加反馈的控制方式，综合了前馈控制故，总体来说，前馈加反馈的控制方式，综合了前馈控制和反馈控制的优势，实现了优势互补，增强了系统对外界和反馈控制的优势，实现了优势互补，增强了系统对外界干扰的克服能力。干扰的克服能力。 51技术教育前馈加反馈控制仿真前馈加反馈控制仿真v前馈加反馈控制系统前馈加反馈控制系统Simulink仿真模型仿真模型 干扰干扰通道通道对象对象补偿补偿控制控制方波方波干扰干扰 白噪声白噪声干扰干扰 52技术教育13.4.1 前馈控制仿真前馈控制仿真v反馈控制的抗干扰能力仿真结果反馈控制的抗干扰能力仿真结果 仿真结果分析：仿真结果分析： 单回路控制对

33、干扰有一定的抑制作用，但抑制效果不甚理想。单回路控制对干扰有一定的抑制作用，但抑制效果不甚理想。 53技术教育13.4.1 前馈控制仿真前馈控制仿真v前馈加反馈控制的抗干扰能力仿真结果前馈加反馈控制的抗干扰能力仿真结果 仿真结果分析：仿真结果分析： 增加前馈控制后，无论是对方波干扰还是白噪声干扰，系统的抗扰能力增加前馈控制后，无论是对方波干扰还是白噪声干扰，系统的抗扰能力都有显著改善。都有显著改善。 54技术教育13.4.1 前馈控制仿真前馈控制仿真v前馈加反馈控制在模型失配情况下的抗干前馈加反馈控制在模型失配情况下的抗干扰能力仿真结果扰能力仿真结果 仿真结果分析：仿真结果分析： 无论是干扰通

34、道还是过程通道，如果对其中的任何参数估计有误，则前无论是干扰通道还是过程通道，如果对其中的任何参数估计有误，则前馈加反馈控制系统的抗干扰能力将明显下降。馈加反馈控制系统的抗干扰能力将明显下降。55技术教育13.4.2 Smith预估补偿控制仿真预估补偿控制仿真 v工业生产过程中常存在大的延迟，而常规工业生产过程中常存在大的延迟，而常规PID调节对大延迟过程的控制效果欠佳。调节对大延迟过程的控制效果欠佳。 v本小节通过本小节通过2个个Simulink仿真实例说明大延仿真实例说明大延迟对控制系统性能的影响，以及迟对控制系统性能的影响，以及Smith预估预估法对大延迟过程进行补偿控制的实现方法法对大

35、延迟过程进行补偿控制的实现方法及控制效果。及控制效果。 56技术教育1.大延大延迟对控制系控制系统性能的影响性能的影响v设被控过程为一阶惯性加纯延迟环节：设被控过程为一阶惯性加纯延迟环节：vSimulink仿真模型仿真模型 =0=2=4 57技术教育1.大延大延迟对控制系控制系统性能的影响性能的影响v大延迟对控制系统性能影响的大延迟对控制系统性能影响的Simulink仿仿真结果：真结果： 随着过程纯延迟时随着过程纯延迟时间的加大（间的加大（ =0,=2,=4 ），控制系），控制系统的稳态性能随之统的稳态性能随之恶化，甚至有可能恶化，甚至有可能不稳定不稳定 。58技术教育2.Smith预估补偿控

36、制预估补偿控制 v在对大延迟过程进行控制时，常规在对大延迟过程进行控制时，常规PID控制控制中的反馈信号是经过了大延迟的系统输出，中的反馈信号是经过了大延迟的系统输出，所以控制总是不及时的，因而控制系统难所以控制总是不及时的，因而控制系统难稳定。针对反馈信号延迟问题，稳定。针对反馈信号延迟问题，Smith预估预估补偿控制设法补偿控制设法“预估预估”过程的无延迟输出，过程的无延迟输出，以期得到与无延迟系统同样的控制性能。以期得到与无延迟系统同样的控制性能。 59技术教育2.Smith预估补偿控制预估补偿控制 vSmith预估补偿控制仿真模型预估补偿控制仿真模型 Smith预估补预估补偿控制偿控制

37、常规常规PID控制控制60技术教育2.Smith预估补偿控制预估补偿控制 v仿真结果仿真结果仿真结果分析：仿真结果分析： 在模型估计准确的情况下，在模型估计准确的情况下，Smith预估补偿控制能获得比常规预估补偿控制能获得比常规PID控控制更好的控制效果，系统也稳定得多。制更好的控制效果，系统也稳定得多。 但但Smith预估补偿控制对预估模型的准确性要求极高，一旦模型适预估补偿控制对预估模型的准确性要求极高，一旦模型适配，配，Smith预估补偿控制的效果将急剧恶化。预估补偿控制的效果将急剧恶化。 61技术教育13.4.3 多变量系统的前馈补偿解耦多变量系统的前馈补偿解耦v生产过程中往往不止一个

38、控制回路，而当生产过程中往往不止一个控制回路，而当多个控制回路同时工作时，回路间有时会多个控制回路同时工作时，回路间有时会存在关联耦合。存在关联耦合。v为此需要分析回路间的关联程度，若关联为此需要分析回路间的关联程度，若关联较为严重，则应设法减小或消除耦合。较为严重，则应设法减小或消除耦合。 62技术教育1.多回路的关联分析多回路的关联分析v设某设某2输入输入2输出系统传递函数矩阵为：输出系统传递函数矩阵为：v则系统的静态放大系数矩阵则系统的静态放大系数矩阵K，也即第一，也即第一放大系数矩阵放大系数矩阵P为：为：63技术教育1.多回路的关联分析多回路的关联分析v该系统的相对增益矩阵为：该系统的

39、相对增益矩阵为：由相对增益矩阵可以看出，原系统中用由相对增益矩阵可以看出，原系统中用U1控制控制Y1，用，用U2控制控制Y2的配置是错误的；正确的变的配置是错误的；正确的变量配对应该是量配对应该是U2控制控制Y1，用，用U1控制控制Y2。即变量配对调换后，系统的输入和输出关系为：即变量配对调换后，系统的输入和输出关系为：64技术教育1.多回路的关联分析多回路的关联分析v进行变量配对调换后，新系统的相对增益矩阵为：进行变量配对调换后，新系统的相对增益矩阵为：v由上述相对增益矩阵可得知：由上述相对增益矩阵可得知：在进行正确的变量配对后，在进行正确的变量配对后，U1对对Y1， U2对对Y2的控制的控

40、制能力接近于能力接近于1（相对增益为（相对增益为1.04），而），而U1对对Y2， U2对对Y1的控制能力则接近于的控制能力则接近于0（相对增益为（相对增益为-0.04）。）。所以，若只考虑静态特性，系统的两回路间是几乎无所以，若只考虑静态特性，系统的两回路间是几乎无耦合的。但若还考虑系统的动态特性，则由于负耦合耦合的。但若还考虑系统的动态特性，则由于负耦合的存在，系统易于出现正反馈，的存在，系统易于出现正反馈，所以还是应对系统进行解耦设计。所以还是应对系统进行解耦设计。以下采用前馈补偿法进行系统的解耦设计及仿真。以下采用前馈补偿法进行系统的解耦设计及仿真。 65技术教育13.4.3 多变量系

41、统的前馈补偿解耦多变量系统的前馈补偿解耦v生产过程中往往不止一个控制回路，而当生产过程中往往不止一个控制回路，而当多个控制回路同时工作时，回路间有时会多个控制回路同时工作时，回路间有时会存在关联耦合。存在关联耦合。v为此需要分析回路间的关联程度，若关联为此需要分析回路间的关联程度，若关联较为严重，则应设法减小或消除耦合。较为严重，则应设法减小或消除耦合。 66技术教育2.前馈补偿解耦控制前馈补偿解耦控制v前馈补偿解耦是在回路中常规控制器的输前馈补偿解耦是在回路中常规控制器的输出端再添加补偿控制器，以抵消其对其他出端再添加补偿控制器，以抵消其对其他回路的耦合。回路的耦合。 图图8.15 带前馈补

42、偿器的全解耦系统带前馈补偿器的全解耦系统本仿真实例中，本仿真实例中，67技术教育2.前馈补偿解耦控制前馈补偿解耦控制v前馈补偿解耦控制系统仿真模型前馈补偿解耦控制系统仿真模型 单位阶跃单位阶跃信号信号幅值为幅值为0.2的的白噪声信号白噪声信号各回路独立工作，输出跟随各自的输入信号而变各回路独立工作，输出跟随各自的输入信号而变 68技术教育2.前馈补偿解耦控制前馈补偿解耦控制v无前馈补偿解耦控制器无前馈补偿解耦控制器N12时的耦合系统仿时的耦合系统仿真模型真模型 不加前馈补偿解耦控制器不加前馈补偿解耦控制器N12，则回路，则回路2将对回路将对回路1产生影响产生影响69技术教育13.5 基于基于M

43、ATLAB的模糊控制仿真的模糊控制仿真v模糊数学的创立和发展使利用模糊数学的创立和发展使利用“模糊模糊”控控制经验成为可能，模糊控制由此诞生并迅制经验成为可能，模糊控制由此诞生并迅速得以实际应用。速得以实际应用。v本节利用本节利用MATLAB的模糊控制工具箱建立的模糊控制工具箱建立模糊控制系统，并对其进行仿真分析。模糊控制系统，并对其进行仿真分析。 70技术教育13.5 基于基于MATLAB的模糊控制仿真的模糊控制仿真v仿真实例仿真实例设某水箱液位通过调节进水量的大小来加以调设某水箱液位通过调节进水量的大小来加以调节。而根据人工操作经验，进水阀的阀位开度节。而根据人工操作经验，进水阀的阀位开度

44、和液位之间满足如下关系：和液位之间满足如下关系：若水箱液位低，则阀门开大，液位低得越多则阀门若水箱液位低，则阀门开大，液位低得越多则阀门开度越大；开度越大；若水箱液位不变，则阀门开度不变；若水箱液位不变，则阀门开度不变；若水箱液位高，则阀门关小，液位高的越多则阀门若水箱液位高，则阀门关小，液位高的越多则阀门开度越小。开度越小。71技术教育13.5 基于基于MATLAB的模糊控制仿真的模糊控制仿真v现利用上述模糊控制规则设计模糊控制器以现利用上述模糊控制规则设计模糊控制器以实现水箱液位控制，控制系统结构如下：实现水箱液位控制，控制系统结构如下：根据人工操作经验，选取液位误差和误差的变根据人工操作

45、经验，选取液位误差和误差的变化率作为模糊控制器的输入量：化率作为模糊控制器的输入量：模糊化后，模糊控制器的输入为：模糊化后，模糊控制器的输入为： 72技术教育13.5 基于基于MATLAB的模糊控制仿真的模糊控制仿真v现利用上述模糊控制规则设计模糊控制器以实现水现利用上述模糊控制规则设计模糊控制器以实现水箱液位控制，控制系统结构如下：箱液位控制，控制系统结构如下：根据人工操作经验，选取液位误差和误差的变化率作为模糊控制器根据人工操作经验，选取液位误差和误差的变化率作为模糊控制器的输入量的输入量：模糊化后，模糊控制器的输入为模糊化后，模糊控制器的输入为：设设U为模糊控制器的输出，则阀位控制量为：

46、为模糊控制器的输出，则阀位控制量为：其中其中 73技术教育13.5 基于基于MATLAB的模糊控制仿真的模糊控制仿真v模糊规则表模糊规则表74技术教育仿真步骤仿真步骤1：构建基于：构建基于GUI的模糊推理系统的模糊推理系统 建立模糊控制器结构建立模糊控制器结构 75技术教育仿真步骤仿真步骤1：构建基于：构建基于GUI的模糊推理系统的模糊推理系统定义输入、输出变量的模糊子集定义输入、输出变量的模糊子集 76技术教育仿真步骤仿真步骤1：构建基于：构建基于GUI的模糊推理系统的模糊推理系统编辑模糊控制规则编辑模糊控制规则 77技术教育仿真步骤仿真步骤1：构建基于：构建基于GUI的模糊推理系统的模糊推

47、理系统将基于将基于GUI编辑的模糊控制器模型应用到编辑的模糊控制器模型应用到Simulink仿真模型仿真模型将将levelcontrol.fis文件进行文件进行FileExportTo Disk的同时，还需进行的同时，还需进行FileExport To Workspace，此时，此时，弹出如图弹出如图13.51所示的对话框，该操作将所示的对话框，该操作将levelcontrol.fis文件保存在工作空间中。文件保存在工作空间中。 78技术教育仿真步骤仿真步骤2：建立：建立Simulink仿真模型仿真模型v在仿真系统中，设水箱液位模型近似为：在仿真系统中，设水箱液位模型近似为：v液位模糊控制液位

48、模糊控制Simulink仿真结构：仿真结构： 79技术教育仿真步骤仿真步骤2：建立：建立Simulink仿真模型仿真模型v仿真结果仿真结果由图可见，采用基于人工经验的模糊控制能对液位系统进行较好的控制。由图可见，采用基于人工经验的模糊控制能对液位系统进行较好的控制。 80技术教育13.6 基于基于MATLAB的预测控制仿真的预测控制仿真v预测控制概述预测控制概述预测控制利用被控对象的预测模型估计控制作用施加预测控制利用被控对象的预测模型估计控制作用施加出去后被控变量的未来值，从而指导控制量的优化，出去后被控变量的未来值，从而指导控制量的优化，且这种优化过程是反复再现进行的。且这种优化过程是反复

49、再现进行的。所以从指导思想来说，预测控制是优于传统的所以从指导思想来说，预测控制是优于传统的PID控制控制的，它非常适用于控制那些不易建立精确数学模型且的，它非常适用于控制那些不易建立精确数学模型且较复杂的工业过程。较复杂的工业过程。v典型的预测控制算法：典型的预测控制算法：动态矩阵控制（动态矩阵控制（DMC）模型算法控制（模型算法控制（MAC）广义预测控制（广义预测控制（GPC）81技术教育13.6.1 动态矩阵控制（动态矩阵控制（DMC）仿真）仿真v动态矩阵控制是一种基于被控对象阶跃响动态矩阵控制是一种基于被控对象阶跃响应的预测控制算法应的预测控制算法 。v仿真实例仿真实例 考虑一个二阶系

50、统：考虑一个二阶系统：仿真模型（仿真模型（DMCsimulink.mdl，DMC.m ） 82技术教育13.6.1 动态矩阵控制（动态矩阵控制（DMC）仿真）仿真v仿真结果仿真结果在模型匹配的情况下在模型匹配的情况下，DMC算法可以得到良好的算法可以得到良好的控制效果控制效果 。83技术教育13.6.2 广义预测控制（广义预测控制（GPC）仿真）仿真v广义预测控制（广义预测控制（GPC）是一种鲁棒性强、能够有）是一种鲁棒性强、能够有效地克服系统滞后、可应用于开环不稳定非最小效地克服系统滞后、可应用于开环不稳定非最小相位系统的先进控制算法。相位系统的先进控制算法。v仿真实例（仿真实例（GPC.m ）考虑例考虑例10.2中的最小相位系统作为被控对象，中的最小相位系统作为被控对象，其其CARIMA模型表述为：模型表述为：其中，其中， 是方差为是方差为0.01的白噪声序列的白噪声序列 84技术教育v仿真结果仿真结果在考虑噪声的情况下，广义预测自适在考虑噪声的情况下，广义预测自适应算法能够得到较好地控制效果应算法能够得到较好地控制效果 。该算法对系统参数的估计值收敛较为迅该算法对系统参数的估计值收敛较为迅速，使得广义预测自适应算法能够很好速，使得广义预测自适应算法能够很好适用于对一些非线性、时变系统的控制。适用于对一些非线性、时变系统的控制。 85技术教育