基于MATLAB過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)研究

伍宏禹

摘要：針對Mtlab/Simulink仿真手段在過程控制系統(tǒng)的使用，介紹了Mtlab/Simulink仿真手段、過程控制系統(tǒng)以及基于Matlab的過程控制仿真的一般步驟。在仿真的基礎(chǔ)上，研究了過程控制系統(tǒng)中PID參數(shù)調(diào)節(jié)的應(yīng)用和鍋爐水溫控制中PCI數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用。結(jié)果表明，Mtlab/Simulink仿真手段為過程控制系統(tǒng)仿真研究提供了方便，對預(yù)測實(shí)際過程系統(tǒng)中根本不允許做的實(shí)驗(yàn)具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：MATLAB；過程控制；仿真

中圖分類號：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.11.098

0引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，過程控制的許多控制策略現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)，為過程控制的發(fā)展提供便利。鑒于其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，表明計(jì)算機(jī)模擬方法輔助研究中靈活性和通用性，與此同時(shí)，仿真技術(shù)的應(yīng)用也帶來了越來越多社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。過程工業(yè)具有一般生產(chǎn)量大、成本高，因此在連續(xù)生產(chǎn)的過程中要求考慮經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。在過程工業(yè)中，由于高度危險(xiǎn)性，很多都禁止在真實(shí)系統(tǒng)上進(jìn)行研究，而仿真技術(shù)只是模擬過程，并不會帶來任何安全問題，因此，很多過程控制首先都通過仿真手段驗(yàn)證其安全性。另外，仿真手段還可以對一些實(shí)際并不存在的只是計(jì)劃中的過程系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。再根據(jù)模擬的結(jié)果調(diào)整過程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以達(dá)到工業(yè)流程的要求。高質(zhì)量的仿真模型能夠預(yù)測實(shí)際過程系統(tǒng)禁止做的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以，研究過程控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真是十分必要和有意義的。

1Matlab/Simulink仿真手段

Matlab（矩陣實(shí)驗(yàn)室）是MATrixLABoratory的縮寫，是一款由美國Mathworks公司在1982年發(fā)明的一套商業(yè)性能數(shù)學(xué)軟件，具有算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析等功能。MATLAB具有非常強(qiáng)適用性，適合不同領(lǐng)域的應(yīng)用，通過在MATLAB中引入很多不同的附加工具箱，使Matlab不僅是局限于數(shù)值運(yùn)算，還能進(jìn)行系統(tǒng)識別等其他操作。Simulink是Matlab軟件的延伸，它突破了靜態(tài)系統(tǒng)建模的局限，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)建模。通過Simulink模塊建立的模型具有可視性，使用者可以通過直觀的動態(tài)系統(tǒng)模型來進(jìn)行仿真操作。

2過程控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)仿真是指用計(jì)算機(jī)上的模擬軟件，模擬控制系統(tǒng)，通過連接計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)試和測試的過程。它的目的是通過在計(jì)算機(jī)上輸入系統(tǒng)參數(shù)和選擇結(jié)構(gòu)來模擬控制系統(tǒng)的過程，以檢查試驗(yàn)系統(tǒng)項(xiàng)目是否合格。過程控制系統(tǒng)包含單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)兩種。單回路控制系統(tǒng)由于回路比較單一，相應(yīng)的過渡時(shí)間也比較短。由于單回路控制系統(tǒng)簡單良好的自我調(diào)節(jié)能力，一般呈現(xiàn)出來的穩(wěn)定性也比較高，對一些干擾液位的影響因素的抵抗能力相對也比較強(qiáng)。因此，單回路控制系統(tǒng)滿足液位過程控制要求的一般過程。串級控制系統(tǒng)由兩組檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器組成，兩個(gè)調(diào)節(jié)器通過串在一起工作，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出設(shè)置給下一個(gè)調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)主要包括主變量和子變量兩種變量，串級控制系統(tǒng)中的主變量是變量的主導(dǎo)變量，子變量引入的主要作用是為了穩(wěn)定主變量。主調(diào)節(jié)器的輸出作為子調(diào)節(jié)器的參考，系統(tǒng)通過輸出子調(diào)節(jié)器來操縱執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)主控制變量的控制。整個(gè)系統(tǒng)包括主回路和子回路控制回路。主回路是指副回路閉合狀態(tài)下等效的單回路，此時(shí)，副回路相當(dāng)于一個(gè)等效的控制閥。副回路有時(shí)也被叫作內(nèi)環(huán)，它具有快速調(diào)節(jié)的作用。一次擾動不包括子回路中的干擾，主要被主回路控制。副回路的目的是快速克服內(nèi)環(huán)中的各種擾動，主要是二次擾動的影響，即子回路中的干擾。

3過程控制的仿真設(shè)計(jì)及應(yīng)用

3.1控制系統(tǒng)仿真的一般步驟

（1）首先建立過程控制系統(tǒng)中需要的數(shù)學(xué)模型。包括應(yīng)用對象結(jié)構(gòu)功能測試，PID參數(shù)測試以及驗(yàn)證系統(tǒng)性能指標(biāo)的控制系統(tǒng)的測試等在內(nèi)的數(shù)學(xué)模型。

（2）設(shè)計(jì)算法并在計(jì)算機(jī)程序中創(chuàng)建仿真模型。這個(gè)數(shù)學(xué)模型通過計(jì)算機(jī)程序語言來進(jìn)行調(diào)整和運(yùn)行。

（3）使用仿真模型模擬實(shí)。通過在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真模型，然后根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整數(shù)學(xué)建模的參數(shù)以達(dá)到最理想的仿真模型。

3.2PID參數(shù)調(diào)節(jié)

PID（比例積分微分）是一種傳統(tǒng)的過程控制方法。由于許多受控過程具有調(diào)節(jié)復(fù)雜，變化原因復(fù)雜，反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜等特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中常常需要考慮PID控制中一個(gè)重要問題即調(diào)整PID參數(shù)。經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)和模型結(jié)構(gòu)一般都對時(shí)間和工作環(huán)境比較敏感，在PID控制中，它一般需要能夠在極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)揮PID參數(shù)整定超前作用讓被控過程快速趨于穩(wěn)態(tài)，并且可以在線調(diào)整PID參數(shù)以滿足實(shí)時(shí)控制的要求。

PID控制廣泛應(yīng)用于過程控制，操作簡單，實(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)的關(guān)鍵是PID控制器的調(diào)整?？紤]實(shí)際應(yīng)用中要求節(jié)省成本，降低經(jīng)濟(jì)，避免重復(fù)調(diào)整PID控制器參數(shù)，在生產(chǎn)中要注重有效性、快速性。PID控制模型采用下式形式：

G（s）=Kc（1+1/Tis+Tds）

一般控制系統(tǒng)常用ISE誤差平方積分方法、ISTE時(shí)間誤差平方方法、IST2E時(shí)間平方誤差積分方法，根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)波形和負(fù)載擾動確定PID參數(shù)。典型的PID控制器參數(shù)如下：

Kc=（a1/K）*（T/T）b1

Ti=T/（a1+T*b2/T）

Td=a3T（T/T）b3

對于不同的T/T范圍，PID各參數(shù)可通過得到的（a，b）參數(shù)表算出。

我們經(jīng)常使用衰減曲線法來調(diào)整參數(shù)，先將調(diào)節(jié)器變?yōu)榧儽壤饔茫ㄟ^改變給定值的方法加階躍干擾，按照遞減的順序依次改變比例度，直至出現(xiàn)4∶1（10∶1）為止。將比例度δk記錄下來，衰減周期Tk可以從曲線上計(jì)算得到：

衰減曲線法等工程整定法對于頻繁干擾、不規(guī)則的記錄曲線等情況，難以直接應(yīng)用于實(shí)際，所以可以通過仿真方法來獲得控制器的參數(shù)，它可以在工業(yè)領(lǐng)域中使用。

3.3PCI數(shù)據(jù)采集

PCI數(shù)據(jù)采集卡普遍應(yīng)用于工業(yè)中，在控制程序的設(shè)計(jì)，主要使用VB調(diào)用一個(gè)動態(tài)鏈接庫或者控件的方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過程。一些專家和學(xué)者為了實(shí)現(xiàn)分析和數(shù)據(jù)采集的高精度目標(biāo)，使用MATLAB控制Nl采集卡來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。復(fù)雜高級的控制算法一般僅靠MATLAB難以開發(fā)，經(jīng)過不斷探索發(fā)現(xiàn)結(jié)合MATLAB和PCI采集卡可以實(shí)現(xiàn)這一目的。采用這種組合，這種高級的控制算法開發(fā)比較容易，時(shí)間相對也比較短，代碼也可以重復(fù)使用。另外，這種組合也可以簡化計(jì)算過程和數(shù)據(jù)的存儲，最終達(dá)到過程控制的目的。

鍋爐水溫控制中主要是通過MATLAB工具結(jié)合數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)過程控制的原理。鍋爐水溫控制是采用的是成本低但功能強(qiáng)大的PCI-1711型號的采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和過程控制。該卡同時(shí)擁有16個(gè)數(shù)字輸入、16個(gè)數(shù)字輸出端以及12位的A/D轉(zhuǎn)換器，這種型號的數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率可以高達(dá)100000赫茲。

MATLAB數(shù)據(jù)收集工具盒是專門使用在數(shù)據(jù)采集方面的一組函式庫，可以智能和及時(shí)采集數(shù)據(jù)。這種工具盒集合了數(shù)學(xué)計(jì)算，圖形化輸出和強(qiáng)有力的計(jì)算機(jī)程序語言。數(shù)據(jù)采集工具盒包含3種組件：M文件函數(shù)（MFF）、數(shù)據(jù)采集引擎（DAE）、硬件驅(qū)動適配器（HDA）。MATLAB程序通過這三個(gè)部件實(shí)現(xiàn)硬件互連并采集數(shù)據(jù)的指令。

4結(jié)束語

在這項(xiàng)研究中，使用MATLAB/Simulink相結(jié)合的方式，對過程控制中的PID參數(shù)調(diào)節(jié)做了仿真研究，通過仿真比較驗(yàn)證了PID調(diào)節(jié)器的比例、微分和積分調(diào)節(jié)作用，發(fā)現(xiàn)其能夠在偏差出現(xiàn)時(shí)自動產(chǎn)生調(diào)節(jié)和控制作用，從而實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。因此，很多實(shí)際過程控制系統(tǒng)當(dāng)受到干擾而偏離原來的平衡狀態(tài)時(shí)，PID參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整有助于系統(tǒng)快速從初始偏差回復(fù)到原平衡的狀態(tài)。另外，對鍋爐水溫控制系統(tǒng)中應(yīng)用MATLAB實(shí)現(xiàn)過程控制作了簡單的介紹，基于MATLAB的PCI數(shù)據(jù)采集容易開發(fā)出高級的控制算法，它具有開發(fā)周期短，高代碼重用率，輕松實(shí)現(xiàn)過程控制的優(yōu)勢。

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