基于MATLAB过程控制系统的应用设计研究

摘要：针对Mtlab/Simulink仿真手段在过程控制系统的使用，介绍了Mtlab/Simulink仿真手段、过程控制系统以及基于Matlab的过程控制仿真的一般步骤。在仿真的基础上，研究了过程控制系统中PID参数调节的应用和锅炉水温控制中PCI数据采集的应用。结果表明，Mtlab/Simulink仿真手段为过程控制系统仿真研究提供了方便，对预测实际过程系统中根本不允许做的实验具有十分重要的意义。

关键词：MATLAB；过程控制；仿真

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/ki.16723198.2017.11.098

0引言

随着计算机技术的飞速发展，过程控制的许多控制策略现已实现，为过程控制的发展提供便利。鉴于其在不同领域的应用，表明计算机模拟方法辅助研究中灵活性和通用性，与此同时，仿真技术的应用也带来了越来越多社会效益和经济效益。过程工业具有一般生产量大、成本高，因此在连续生产的过程中要求考虑经济效益和安全效益。在过程工业中，由于高度危险性，很多都禁止在真实系统上进行研究，而仿真技术只是模拟过程，并不会带来任何安全问题，因此，很多过程控制首先都通过仿真手段验证其安全性。另外，仿真手段还可以对一些实际并不存在的只是计划中的过程系统进行试验研究。再根据模拟的结果调整过程系统的设计以达到工业流程的要求。高质量的仿真模型能够预测实际过程系统禁止做的实验结果。所以，研究过程控制系统计算机仿真是十分必要和有意义的。

1Matlab/Simulink仿真手段

Matlab（矩阵实验室）是MATrixLABoratory的缩写，是一款由美国Mathworks公司在1982年发明的一套商业性能数学软件，具有算法开发、数据可视化、数据分析等功能。MATLAB具有非常强适用性，适合不同领域的应用，通过在MATLAB中引入很多不同的附加工具箱，使Matlab不仅是局限于数值运算，还能进行系统识别等其他操作。Simulink是Matlab软件的延伸，它突破了静态系统建模的局限，可以实现更复杂的动态系统建模。通过Simulink模块建立的模型具有可视性，使用者可以通过直观的动态系统模型来进行仿真操作。

2过程控制系统

控制系统仿真是指用计算机上的模拟软件，模拟控制系统，通过连接计算机实现调试和测试的过程。它的目的是通过在计算机上输入系统参数和选择结构来模M控制系统的过程，以检查试验系统项目是否合格。过程控制系统包含单回路控制系统和串级控制系统两种。单回路控制系统由于回路比较单一，相应的过渡时间也比较短。由于单回路控制系统简单良好的自我调节能力，一般呈现出来的稳定性也比较高，对一些干扰液位的影响因素的抵抗能力相对也比较强。因此，单回路控制系统满足液位过程控制要求的一般过程。串级控制系统由两组检测变送器和两个调节器组成，两个调节器通过串在一起工作，前一个调节器的输出设置给下一个调节器。系统主要包括主变量和子变量两种变量，串级控制系统中的主变量是变量的主导变量，子变量引入的主要作用是为了稳定主变量。主调节器的输出作为子调节器的参考，系统通过输出子调节器来操纵执行器，实现主控制变量的控制。整个系统包括主回路和子回路控制回路。主回路是指副回路闭合状态下等效的单回路，此时，副回路相当于一个等效的控制阀。副回路有时也被叫作内环，它具有快速调节的作用。一次扰动不包括子回路中的干扰，主要被主回路控制。副回路的目的是快速克服内环中的各种扰动，主要是二次扰动的影响，即子回路中的干扰。

3过程控制的仿真设计及应用

3.1控制系统仿真的一般步骤

（1）首先建立过程控制系统中需要的数学模型。包括应用对象结构功能测试，PID参数测试以及验证系统性能指标的控制系统的测试等在内的数学模型。

（2）设计算法并在计算机程序中创建仿真模型。这个数学模型通过计算机程序语言来进行调整和运行。

（3）使用仿真模型模拟实。通过在计算机上运行仿真模型，然后根据模拟结果调整数学建模的参数以达到最理想的仿真模型。

3.2PID参数调节

PID（比例积分微分）是一种传统的过程控制方法。由于许多受控过程具有调节复杂，变化原因复杂，反应机理复杂等特点，在实际应用中常常需要考虑PID控制中一个重要问题即调整PID参数。经过试验发现工艺参数和模型结构一般都对时间和工作环境比较敏感，在PID控制中，它一般需要能够在极短的时间内发挥PID参数整定超前作用让被控过程快速趋于稳态，并且可以在线调整PID参数以满足实时控制的要求。

PID控制广泛应用于过程控制，操作简单，实用，易于实现。控制器的设计的关键是PID控制器的调整。考虑实际应用中要求节省成本，降低经济，避免重复调整PID控制器参数，在生产中要注重有效性、快速性。PID控制模型采用下式形式：

G（s）=Kc（1+1/Tis+Tds）

一般控制系统常用ISE误差平方积分方法、ISTE时间误差平方方法、IST2E时间平方误差积分方法，根据闭环系统的响应波形和负载扰动确定PID参数。典型的PID控制器参数如下：

Kc=（a1/K）*（T/T）b1

Ti=T/（a1+T*b2/T）

Td=a3T（T/T）b3

对于不同的T/T范围，PID各参数可通过得到的（a，b）参数表算出。

我们经常使用衰减曲线法来调整参数，先将调节器变为纯比例作用，通过改变给定值的方法加阶跃干扰，按照递减的顺序依次改变比例度，直至出现4∶1（10∶1）为止。将比例度δk记录下来，衰减周期Tk可以从曲线上计算得到：

衰减曲线法等工程整定法对于频繁干扰、不规则的记录曲线等情况，难以直接应用于实际，所以可以通过仿真方法来获得控制器的参数，它可以在工业领域中使用。

3.3PCI数据采集

PCI数据采集卡普遍应用于工业中，在控制程序的设计，主要使用VB调用一个动态链接库或者控件的方式来实现数据采集过程。一些专家和学者为了实现分析和数据采集的高精度目标，使用MATLAB控制Nl采集卡来进行数据采集。复杂高级的控制算法一般仅靠MATLAB难以开发，经过不断探索发现结合MATLAB和PCI采集卡可以实现这一目的。采用这种组合，这种高级的控制算法开发比较容易，时间相对也比较短，代码也可以重复使用。另外，这种组合也可以简化计算过程和数据的存储，最终达到过程控制的目的。

锅炉水温控制中主要是通过MATLAB工具结合数据采集卡来实现过程控制的原理。锅炉水温控制是采用的是成本低但功能强大的PCI-1711型号的采集卡实现数据采集和过程控制。该卡同时拥有16个数字输入、16个数字输出端以及12位的A/D转换器，这种型号的数据采集卡的采样速率可以高达100000赫。

MATLAB数据收集工具盒是专门使用在数据采集方面的一组函式库，可以智能和及时采集数据。这种工具盒集合了数学计算，图形化输出和强有力的计算机程序语言。数据采集工具盒包含3种组件：M文件函数（MFF）、数据采集引擎（DAE）、硬件驱动适配器（HDA）。MATLAB程序通过这三个部件实现硬件互连并采集数据的指令。

4结束语

在这项研究中，使用MATLAB/Simulink相结合的方式，对过程控制中的PID参数调节做了仿真研究，通过仿真比较验证了PID调节器的比例、微分和积分调节作用，发现其能够在偏差出现时自动产生调节和控制作用，从而实现了PID参数实时调节。因此，很多实际过程控制系统当受到干扰而偏离原来的平衡状态时，PID参数实时调整有助于系统快速从初始偏差回复到原平衡的状态。另外，对锅炉水温控制系统中应用MATLAB实现过程控制作了简单的介绍，基于MATLAB的PCI数据采集容易开发出高级的控制算法，它具有开发周期短，高代码重用率，轻松实现过程控制的优势。

参考文献

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