复杂过程控制系统设计与Simulink仿真.docx
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复杂过程控制系统设计与Simulink仿真
银河航空航天大学
课程设计
（论文）
题目 复杂过程控制系统设计与 Simulink 仿
真
班级
学号
学 生 姓 名
指 导 教 师
0. 前言 ....................................................................1
1. 总体方案设计 ............................................................2
2. 三种系统结构和原理 ......................................................3
2.1 串级控制系统 ........................................................3
2.2 前馈控制系统 ........................................................3
2.3 解耦控制系统 ........................................................4
3. 建立 Simulink 模型 .......................................................5
3.1 串级 ................................................................5
3.2 前馈 ................................................................5
3.3 解耦 ................................................................7
4. 课设小结及进一步思想 ...................................................14
参考文献 ..................................................................14
附录设备清单 ............................................................15
银河航空航天大学课程设计论文复杂过程控制系统设计与 Simulink 仿真
复杂过程控制系统设计与 Simulink 仿真
姬晓龙银河航空航天大学自动化分校
摘要：
本文主要针对串级、前馈、解耦三种复杂过程控制系统进行设计，以此来深化对复杂过程控制
系统的理解，体会复杂过程控制系统在工业生产中对提高产品产量、质量和生产效率的重要作用。
建
立 Simulink 模型，学习在工业过程中进行系统分析和参数整定的方法，为毕业设计对模型进行仿真分
析及过程参数整定做准备。
关键字：
串级；前馈；解耦；建模；Simulink。
0. 前言
单回路控制系统解决了工业过程自动化中的大量的参数定制控制问题，在大多数情
况下这种简单系统能满足生产工艺的要求。
但随着现代工业生产过程的发展，对产品的
产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这便使工业
生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度
和功能要求更高。
为此，需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统
“复杂”一些的控制系统，如串级控制（双闭环控制）、前馈控制大滞后系统控制（补
偿控制）、比值控制（特殊的多变量控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多
变量解耦控制（多输入多输出解耦控制）等等。
从结构上看，这些控制系统由两个以上
的回路构成，相比单回路系统要多一个以上的测量变送器或调节器，以便完成复杂的或
特殊的控制任务。
这类控制系统就称为“复杂过程控制系统”，以区别于单回路系统这
样简单的过程控制系统。
计算机仿真是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统随时间变化的过程。
通过对
过程仿真的分析，得到被仿真系统的动态特性。
过程控制系统计算机仿真，为流程工业
控制系统的分析、设计、控制、优化和决策提供了依据。
同时作为对先进控制策略的一
种检验，仿真研究也是必不可少的步骤。
控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、
计算机数学与计算机技术的综合性学科。
控制系统仿真是以控制系统的模型为基础，主
要用数学模型代替实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验和研究的一种
方法。
在进行计算机仿真时，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序。
随着系统
规模的越来越大，先进过程控制的出现，就需要行的功能强大的仿真平台 Math Works 公
司为 MATLAB 提供了控制系统模型图形输入与仿真工具 Simulink，这为过程控制系统设
计与参数整定的计算与仿真提供了一个强有力的工具，使过程控制系统的设计与整定发
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生了革命性的变化。
1. 总体方案设计
本次设计共分为三个部分，分别对串级、前馈、解耦三个复杂过程控制系统进行设
计。
首先研究各复杂控制系统的结构以及工作原理原理，画出它们的原理框图，分析这
些系统的特点，包括其被控过程的动态特性、对扰动的抗干扰能力等等，然后对这些系
统进行具体设计，建立 SImulink 模型，然后选择合适的工业过程进行参数整定及系统分
析。
总体方案如图 1 所示：
研究系统结构、原理
画原理框图
进行系统分析
系统设计
建立 Simulink 模型
参数整定、仿真分析
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图 1 课程设计整体方案设计
2. 三种系统结构和原理
2.1 串级控制系统
控制系统具有多个控制器和一个执行机构，这些控制器被一个一个地串联起来，前
一个控制器的输出就是后一个控制器的设定值，其执行机构由最后一个控制器控制，这
种系统被称为串级控制系统。
串级控制系统的基本组成如图 2 所示：
q2
c2
q1
c1
主控制器
副控制器
控制阀
副对象
主对象
副测量
主测量
图 2 串级控制系统的基本组成
为了提高系统性能，在以 c1 为被控量的被控对象中适当选取另一个可测变量 c2 为中
间变量， c2 称为副被控量，也称副参数，相对于 c2 把 c1 称为主被控量，也称主参数。
以
c2 为分界，把整个受控过程分成两个组成部分，以 c2 为输出的部分称为副对象，而以
c2 为输入的部分称为主对象。
主被控量和副被控量通过各自的控制器构成闭环控制。
副
被控量的控制回路在内，其设定值就是主控制器的输出，而副控制器的输出就直接控制
控制阀，这两个控制回路称为内环和外环。
通常把作用在主对象上的扰动 q1 称为一次扰
动，作用在副回路上的扰动 q2 称为二次扰动。
2.2 前馈控制系统
前馈控制是针对扰动量及其变化进行控制的。
其原理图如图 3：
可测干扰
M
给定值
X
G（s）
G f （s）
输出
Y
G1（s）
G2（s）
G3（s）
图 3 前馈控制原理图
在前馈控制中， G f （s） G3 （s） 为干扰源至系统输出的干扰通道传递函数； Gd （s） 为前馈
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调节器函数； G2 （s）G3 （s） 为干扰源至系统输出的控制通道传递函数； G1（s） 为给定环节传
递函数。
系统输出为：
Y=X· G1（s） G2 （s）G3 （s） +M（ Gd （s） G2 （s） + G f （s） ） G3 （s）
干扰对系统的作用是通过干扰通道进行的，前馈的控制原理是给系统附加一个前馈
通道，使所测量的系统扰动通过前馈控制器改变控制量。
利用扰动所附加的控制量与扰
动对被控量影响的叠加消除和减小干扰的影响。
2.3 解耦控制系统
解耦方法有很多方法，这里只说前馈补偿解耦设计。
过程可以表示为
y1（s） = W11（s）u1（s） + W12 （s）u2 （s）
y2 （s） = W21（s）u1（s） + W22 （s）u 2（s）
若令
而又满足
则有
y1（s） = W11（s）u1（s） + W12 （s）u2 （s） + WFF （s）W11（s）u2
W12 （s） + WFF （s）W11（s） = 0
y1 （s） = W11（s）u1（s）
而
WFF 2 （s） = -
W12 （s）
W11（s）
（1）
同理令
WFF1（s） = -
W21（s）
W22 （s）
（2）
y2 （s） = W21（s）u1（s） + WFF1（s）W22 （s）u1（s） + W22 （s）u2
可得
y2 （s） = W22 （s）u2 （s）
这样就实现了过程解耦，式
（1）和式
（2）为补偿器结构，它和串联补偿不同，采用
的是前馈补偿的不变性原理。
其系统构成如图 4 所示：
X1（s）
+
-
W1（s）
U1
+
回路 1
WFF1（s）
U1
W11（s）
W21（s）
Y11 +
Y21
+
Y1（s）
X 2 （s）
+-
W2（s）
'
2
WFF2（s）
回路 2 U2
W12（s）
W22 （s）
Y12
Y22
+
Y2 （s）
图 4 前馈补偿法解耦框图
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3. 建立 Simulink 模型
3.1 串级
以隧道窑系统对象进行仿真研究。
考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度为主变量，燃烧室温
度为副变量的串级控制系统中主、副对象的传递函数 Go1 和 Go2 分别为：
Go1（s） =
1
（30s +1）（3s +1）
;Go2 （s） =
1
（10s +1）（s +1）2
主、副控制器的传递函数 Gc1 和 Gc2 为：
Gc1 = Kc1（1+
1
T1 s
）;Gc2 （s） = Kc2
建立系统的 Simulink 模型如图 5 所示：
图 5 串级控制时系统的 Simulink 模型
在图 5 中，q1 为一次扰动，取阶跃信号；q2 为二次扰动，取阶跃信号；PID C1 为主
控制器，采用 PID 控制；PID C2 为副控制器，采用 PID 控制； Go2 为副对象； Go1 为主对
象；r 为系统输入，取阶跃信号；c 为系统输出，它连接到示波器上，可以方便的观测输
出。
3.2 前馈
这里进行前馈—反馈复合控制系统仿真。
前馈—反馈复合控制系统仿真主要包括：
系统辨识、控制系统整定和系统仿真等内容。
假设被控对象的干扰通道传递函数为：
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G（s）G（s） =
系统被控部分传递函数为：
G（s）G（s） =
给定部分传递函数为：
15
（8s +1）（10s +1）
6
（5s +1）（10s +1）
e-10s
e-8s
Gc （s） = 1
采用前馈、反馈分别整定的方法，前馈整定参数为 Kd = -2.5 ， Td1 = 5,Td 2 = 8 。
若系
统采用 PID 控制，则系统结构框图如图 6 所示:
动态前馈
可测干扰
M（s）
补偿器
2.5⨯
5s +1
8s +1
5
8s + 1
e-5s
给定值
X（s）+
1
PID
+
_
2
5s +1
e-3s
+
+
3
10s +1
e-5s
输出
Y（s）
图 6 前馈—反馈复合控制系统方框图
系统稳定性分析是实验调试中正确把握试验方法、试验参数的基本依据。
对图 5 所
示系统反馈环节开环稳定性进行分析（不含 PID 调节器部分），为分析方便取：
e-3s =
1
3s
≈
1
1+ 3s
e-5s
1
e
1
1+ 5s
不含 PID 调节器的开环传递函数可近似写成：
6
（3s +1）（5s +1）2 （10s +1）
可见开环系统不稳定。
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反馈控制器取为 PI 形式。
采用阶跃响应法整定 PI 参数。
开环阶跃响应 SImulink 框
图如图 7 所示：
图 7 开环阶跃响应 Simulink 框图
其中阶跃输入控制量 ∆u = 1，因此得：
K p =
0.9 ⋅ ∆u ⋅T
∆y ⋅ L
= 0.29
K I =
K P
3L
= 0.009
利用各整定参数及系统模型辨识结果构建系统前馈—反馈复合控制 Simulink 框图如
图 8 所示：
图 8 系统前馈—反馈复合控制 Simulink 框图
3.3 解耦
这里进行前馈补偿解耦控制仿真。
以锅炉燃烧系统为对象，可控制输入量为燃料流
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量和助燃空气流量，被控量和温度，为系统蒸汽压采用参数前馈补偿解耦法对噶系统进
行仿真。
此为双输入双输出系统，初步选择输入 x1、x2 分别对应输出 y1、y2。
经辨识，得系
统输入、输出的传递关系为：
⎡1
⎡Y1（S ）⎤⎢ 3s +1
5
⎣12s +1
由式（3）的系统静态放大系数矩阵为：
0.5 ⎤
2s +1⎥⎡ X1（s）⎤
⎥
9s +1⎦
（3）
⎡k11⎡1 0.5⎤
即系统的第一放大系数矩阵为：
⎣ 21 k22 ⎦ ⎣ ⎦
（4）
⎡ p
⎣ p21
p12 ⎤ ⎡k11
p22 ⎦ ⎣k21
k12 ⎤ ⎡1 0.5⎤
k22 ⎦ ⎣ ⎦
（5）
系统的相对增益矩阵为：
⎡- 0.04
⎣ 1.04
1.04 ⎤
-1.04⎥⎦
（6）
由相对增益矩阵可以看出，控制系统输入、输出的配对选择是错误的，应调换。
为
了表述方便，调换后仍用输入 x1（原 x2）、x2（原 x1）分别对应输出 y1、y2，输入、输出之
间的传递关系为：
⎡ 0.51⎤
5
⎣ 9s +112s +1⎦
输入、输出重新匹配后，系统输入、输出结构如图 9 所示：
（7）
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输入
X1（s）
0.5
2s + 1
+
+
输出
Y1（s）
0.1
9s + 1
1
3s + 1
输入
X 2 （s）
5
+
+
输出
Y2 （s）
12s + 1
图 9 重新匹配后的系统耦合关系
可求得相对增益矩阵为：
⎡ 1.04
⎣- 0.04
- 0.04⎤
1.04 ⎥⎦
（8）
由式（8）知,输入 x1、x2 分别对输出 y1、y2 的控制能力接近于 1，通道间相互耦合接
近零。
如不强调系统的动态跟随特性，只考虑稳态特性，则系统的两个通道耦合很弱不
需要解耦。
但如果考虑动态情况，由于系统纯在耦合，则容易形成正反馈，应对系统进
行耦合分析。
本次选择前馈方式实现解耦，前馈解耦控制器分别为：
Gp12 （s） = -
Gp21（s） = -
4s + 2
3s +1
12s +1
50（9s +1）
（9）
（10）
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采用前馈解耦后，系统的结构图如图 10 所示：
被控耦合系统
前馈补偿
+
0.5
+
输入
X1（s）
_
2s + 1
+
输出
Y1（s）
12s +1
450s + 50
4s + 2
3s +1
0.1
9s + 1
1
3s + 1
输入
_
+
输出
X 2 （s）
+
5
+
Y2 （s）
12s + 1
图 10 采用前馈耦合后系统结构
解耦前后系
统的 Simulink 阶跃仿真框图如
图 11 所示：
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（a） 系统不纯在耦合的
Simulink 仿真框图
（b） 系统耦合 Simulink 仿真框图
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（c） 利用前馈补偿实现系统耦合的 Simulink 仿真框图
图 11 系统解耦状态对比 Simulink 仿真框图
图 11（a）为系统无耦合的 Simulink 阶跃仿真框图；图 11（b）为系统耦合时 Simulink 阶
跃仿真框图；图 11（c）为系统采用前馈耦合后的 Simulink 阶跃仿真框图。
通过前馈补偿解耦，原系统已可看成两个独立的单输入单输出系统。
考虑到 PID 应
用的广泛性和系统无静差要求，控制器采用 PI 形式。
PI 参数整定通过解耦的两个单输入单输出系统进行。
其 Simulink 框图分别如图 12 所
示。
整定采用试误法。
（a） x1y1 通道 PI 整定 Simulink 框图
（b） x2y2 通道 PI 整定 Simulink 框图
图 12 系统解耦后各通道独立整定 Simulink 框图
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实现完全解耦的系统可以分别用两个单输入单输出系统仿真。
但为了从整体角度进
一步管擦解耦情况，仿真时按整体进行如图 13 所示：
（a） PI 模块的结构
（b） 解耦时系统的 Simulink 仿真框图
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（c） 不解耦时系统的 Simulink 仿真框图
图 13 系统解耦与不解耦时，系统的 Simulink 仿真框图
为了对比解耦和不解耦两种情况，图 13（b）为解耦时系统的 Simulink 仿真框图，图
13（c）为不解耦时系统的 Simulink 仿真框图。
其中 PI1—PI4 的结构如图 13（a）所示。
各处
干扰均为幅度为 ±1的随机扰动。
4. 课设小结及进一步思想
通过这次紧张的课程设计，我收获颇多，每天面对着电脑，翻阅各种相关资料，体
会颇深。
对于复杂过程控制和 Matlab 中仿真工具 Simulink 的学习，有种意犹未尽之感，
在这次课设中，加深了对复杂过程控制和 Matlab 中仿真工具 Simulink 相关知识的理解，
巩固了原有知识的同时又学到了一些新鲜的知识。
很感谢老师的耐心教导，她的认真负责让我们折服。
这次的课设让我找到了方向，
让我懂得了很多：
知识是多方面的，要想学好任何一门知识都要付出很多努力，坚持不
懈；同时，想要做好一件事就要身心投入，认真去做。
由于时间仓促，以及自身水平有限，这次的课设只对复杂过程控制中的串级、前馈、
和解耦进行了学习和 Simulink 建模，对于仿真需要的参数还没有整定出来，因此也未能
进行具体的仿真分析。
在课设结束之后我要继续学习，把毕设中的其它工作早日完成。
第 13 页
设备名称
数量
计算机
1
MATLAB 软件
1
银河航空航天大学课程设计论文复杂过程控制系统设计与 Simulink 仿真
参考文献
[1] 王正林，郭阳宽. 过程控制与 Simulink 应用. 北京：
电子工业出版社, 2006.7
[2] 邵裕森、戴先中. 过程控制工程. 北京:
机械工业出版社, 2000.5
[3] 刘文定.过程控制系统的 MATLAB 仿真.机械工业出版社, 2009.2
[4] 萧德云译. 过程控制系统——应用、设计与整定（第 3 版）. 清华大学出版社，
2004.5
[5] 金以慧. 过程控制. 清华大学出版社，2002.3
[6] 马莉. MATLAB 数学实验与建模. 清华大学出版社，2010.1
[7] 李国勇. 过程控制系统. 北京:
电子工业出版社,2009.4
[8] 陈杰. MATLAB 宝典. 北京:
电子工业出版社，2011.1
附录设备清单 不需要
祝
第 14 页
银河航空航天大学课程设计论文复杂过程控制系统设计与 Simulink 仿真
顺利完成
————俊彩滕王
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