比值控制系统

MATLAB/Simulink与过程控制系统仿真第八章比值控制系统110072A12010072022魏兴8.1比值控制系统基础知识8.2比值控制系统设计8.3综合仿真实例8.1比值控制系统基础知识8.1.1比值控制系统特点比值控制系统的特征:是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。1.主物料，也称为主动量:在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料。2.从物料，也称为从动量:另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料3.在过程控制中经常保持比例的参量是流量，故常用下式表示21QKQ8.1.2比值控制系统的类型根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。比值控制系统分为：1.开环比值控制系统；2.单闭环比值控制系统；3.双闭环比值控制系统；4.变比值控制系统等。1．开环比值控制系统工艺流程图和原理方框图如图所示。2．单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。工艺流程图及原理框图如图所示。3．双闭环比值控制系统在双闭环比值控制系统工作时，若主动量受到干扰发生波动，则主动量回路对其进行定值控制，使主动量始终稳定在给定值附近，同时从动量控制回路也会随主动量的波动进行调整；当从动量受到扰动发生波动时，从动量控制回路对其进行定值控制，使从动量始终稳定在定值附近，而主动控制回路不受从动量波动的影响。因此，因扰动而发生的主动量和从动量波动利用各自控制回路分别实现实际值与给定值吻合，从而保证主、副物料流量的比值恒定。当调节主动量给定值时，主动量控制回路调节主动量实际值和给定值吻合；同时，根据主动量与从动量的比值及新的主动量给定值，系统给出从动量控制回路的输入值。通过从动控制回路的调节控制使从动量的实际值与该输入值吻合，即从动控制量的实际值与主动量变动后的数值相对应，保持主动量和从动量的比值不变。4．变比值控制系统单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统有一个共同的特点：通过控制系统维持物料的供应比值恒定，保证生产过程的正常进行。实际生产过程中，物料按比例输入并不是最终目的，一般最终目的是生产过程的结果，如发电系统产生的电能，自来水氯气消毒系统输出水的质量与流量等。因此，在生产过程中，往往要对除了输入物料以外的第三参量进行控制。当第三参量随输入物料的配比不同变化时，对第三参量的控制问题，变成了调节物料配比问题，这就是变比值控制，其控制的工艺图和控制方框图如图所示。8.2比值控制系统设计8.2.1系统选用原则（1）单闭环比值控制的选用当要求两种物料比值精确、恒定；外干扰引起的主流量波动变化可以容忍；只有一种物料可控，其它物料不可控制；（2）双闭环比值控制选用当要求两种物料比值精确、恒定；扰动引起的主、副流量变化较大；不适用于只有一种物料可控，其它物料不可控制情况；（3）变比值控制选用当两种物料流量的比值与主被控制量（主动量和从动量之外的第三参量）有内在关系，需要根据主动量的测得值和主被控制量的给定值调整主从物料流量的比值实现对主被控制量给定值的跟踪控制（或定值控制）时，应选用变比值控制方案。8.2.2主从物料的选择主要依循以下原则：（1）贵重原则（2）不可控原则（3）主导作用原则（4）流量大小原则（5）工艺需要原则8.3综合仿真实例在例一中如系统传递函数为43()151sGses，其他参数不变，试对其进行单闭环比值控制系统仿真分析，并讨论43()151sGses分母中“15”变化10%时控制系统的鲁棒性。解：（1）分析从动量无调节器的开环系统稳定性。由控制理论知，开环稳定性分析是系统校正的前提。系统稳定性的分析可利用Bode图进行，编制MATLABBode图绘制程序（M-dile）如下：执行该程序得系统的Bode图如图所示，可见系统是稳定的。幅值裕量为6.77dB，对应增益为2.2。（2）选择从动量控制器形式及整定其参数。根据工程整定的论述，选择PI形式的控制器，即。本处采用稳定边界法整定系统。先让=0，调整使系统等幅振荡（由稳定性分析图知在=2.2附近时系统震荡），即使系统处于临界稳定状态。系统Simulink框图如下所示:调节P=0.3，I=0.02时，基本达到了振荡临界要求，其系统响应图如下所示：（3）系统过程仿真。单闭环比值控制过程相当于从动量变化的随动控制过程。假定主动量由一常值10加幅度为0.3的随机扰动构成，从动量受均值为0、方差为1的随机干扰。主动量和从动量的比值根据工艺要求及测量仪表假定为3.系统的控制过程Simulink仿真框图如图所示。其中控制常量及随机扰动采用封装形式。运行结果如下所示：除初始时间延时外，从动量较好地跟随主动量变化而变化，并且基本维持比值3，有效地克服了主动量和从动量的扰动。（4）单闭环比值控制系统鲁棒性分析要求分母中“15”变化10%，即积分时间为13.5~16.5，分析系统鲁棒性。系统仿真框图如图a所示，图b为延时选择模块Subsystem的展开图，改变积分时间常数为13.5，14，14.5……16.5共11个值。经过运行后在工作空间绘图,即可见到图c的仿真结果。图a系统仿真框图图b延时选择模块统封装结构图c仿真结果分析图c仿真结果可见，随着延时环节的变化，从动量跟随主动量的规律有较小变化，但并未改变系统稳定性及精度，说明系统在积分时间发生10%变化时仍能正常工作，系统的鲁棒性较强。