《matlab大作业(控制系统仿真).pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《matlab大作业(控制系统仿真).pdf（16页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、河南工业大学控制系统仿真控制系统仿真姓名：宋伯伦班级：自动化 1501学号：201523020128成绩：2017 年6 月16 日设计题目设计内容和要求基于 MATLAB 的皮带配料控制系统的仿真阐述皮带配料控制系统的工作原理、物料流量特点，建立系统模型，通过 Matlab 进行控制系统仿真，达到适应系统工作过程各参数变化的目的。报告主要章节第一章 概述与引言随着科学技术的不断发展，电子皮带秤配料系统已在煤炭、化工、烟草、冶金、建材等行业中广泛应用。目前大多数皮带秤配料系统仍然是采用传统的 PID 控制算法，灵敏度较高，可以说在理论上调节是能做到无误差的，或者说在误差较小的范围内的确很有优势
2、，但是出现较大误差时，其动态特性并不是很理想，超调量一般较大。所以，本课题设计了一套更为合理高效的电子皮带秤配料系统，本设计主要针对皮带秤配料系统中配料这一环节，采用模糊 PID 和传统 PID 控制相结合的方法。本课题主要内容包括皮带秤的原理与组成，系统的总体设计，模糊控制算法结合本系统的分析以及采用 MATILAB 进行模糊 PID 控制仿真。第二章各部分设计方案及工作原理皮带秤配料系统中配料皮带秤作为在线测量的动态称量衡器，有着重要的作用，目前已广泛用于冶金、煤炭、烟草、化工、建材等行业中，是集输送、称量、配料于一体的设备。皮带秤仪表除了显示瞬时流量和累积流量外，还能根据由接线盒传过来的
3、数据与给定值的偏差来控制给料机的给料，从而保证瞬时流量的恒定。这样就构成了一个闭环控制系统。2.1 皮带秤配料系统组成及工作原理 2.1.1 皮带秤配料系统组成配料皮带秤系统结构如图 2.1 所示，由三大部分组成，分别是料斗、给料设备和皮带秤。图 2.1 中：A-称重传感器；B-测速传感器；C-称重托辊；D-接线盒；E-称重仪表。2.1.2 皮带秤工作原理皮带秤的计量对象是连续流动的物料，可以显示物料的瞬时流量和在某一段时间内的累计流量。皮带秤是在皮带运行中进行测量，所以测量的稳定性很重要。当物料多少不等、皮带轻重不均匀和上下跳动以及皮带速度发生变化时，皮带秤应有较好的适应能力。所以皮带秤的主
4、要特点是连续、自动地称重。如果测单位长度的瞬时流量，一段距离的物料重量，或在一段时间和一段距离的累积重量。这些量的计算可采用积分法和累加法两种方法进行计算。在本设计中采用积分法表示一段时间的累积流量。电子皮带秤输送物料时，物料的瞬时流量为：qxv(kg/s)，其中 q(kg/m)为皮带上单位长度的载重，v(m/s)为同一时刻皮带运行的速度。但是实际中，单位长度的载重与物料本身特性有关，可能出现不均匀的情况。所以在 T 时间间隔的累积流量可用以下积分式(2.1)表示：W-T 时间间隔的物料累积量 kg 或 t；T-物料通过秤的时间 S 或 h；q(t)-皮带单位长度上的物料重量 kg/m；V(t
5、)-物料在皮带上的运行速度 m/s。皮带秤是按照力学中的悬索原理工作的，皮带的力平衡关系介于弹性静不定和柔性悬索之间，因为皮带的横向能力小，更接近于悬索状态，所以皮带秤的计量是以线分布密度代替体分布，按流量进行测量的。2.2 配料皮带秤工作方式配料皮带秤是装有皮带秤整个称量装置的皮带输送机，其中给料设备是调节物料多少的，按照给料设备调速方式的不同，配料皮带秤有以下几种工作方式：2.2.1 拖料式配料方式拖料式配料的皮带秤指的是无专用的给料机，仅用皮带机调速方式的配料皮带秤。所以也称作调速配料方式。配料皮带秤直接安装在进料斗的下方，以拖料的方式从进料斗中拖出物料。这样可调速的皮带机既完成物料的称
6、量任务，又完成物料量多少的调节任务，所以在拖料皮带秤这种工作方式中，严格地讲，不能称为无给料机，只是无专用的给料机，给料机的功能由配料皮带秤的皮带机顺带完成。拖料式配料方式优点：1)无专有给料机，系统结构简单，设备投资省；2)节省电能消耗；3)皮带上的物料负荷不随物料量的多少而变，对物料称量精确度和控制精确度的提高有好处;的系统无滞后，电机速度一变化，给料量也随之改变，控制精确度高。拖料式配料方式缺点：1)是进料仓直接在皮带秤的皮带机上，入料时对皮带的张力大；2)没有专用的给料机，所以调零、更换皮带较难操作；3)对于干粉状和粘性较大的物料不适用;所以对于湿度适中、流动性能较好的物料系统可以采用
7、这种工作方式。2.2.2 恒速配料方式恒速式配料指的是给料机调速、皮带机恒速方式的配料皮带科。给料机调速可以完成物料量多少的调节任务，而皮带机不可调速则皮带上的物料负荷随物料量的多少而变。早期的配料皮带秤采用这种方式的较多。恒速式配料的优点是：1)进料斗与配料皮带秤之间有专用给料机，便于皮带秤的调零、更换皮带等操作。2)计量准确度高，可靠性好，应用范围较广。缺点是：1)有专用给料机，投资较大；2)皮带上的物料负荷随物料量的多少而变对物料称量精确度有影响。所以对于配料控制精度要求不高，流量设定值变化范围小的物料系统适用恒速式配料方式。总之，在实际当中采用哪种配料方式，要视具体情况确定，要根据控制
8、准确度、系统可靠性、投资大小等方面的因素综合考虑。由于本设计中配料系统是用于煤焦配比，要求系统可靠性好，计量准确度高，综合多方面考虑所以选择拖料式配料方式。系统工作时，工控机首先根据生产任务先进行各种值的初始化，其中包括各种物料的名称、料斗编号、标准流量、标准配比等，然后按照一定顺序控制各给料设备。各给料设备按一定流量给料，同时工控机读取来自称重仪表的重量信号和累计量数据，然后根据各成分的累积量计算当前的实际配比，通过与标准配比的比较，来修正各给料设备的给定值，这样，系统就可以工作在最优配比状态。当达到设定累积产量时，按一定顺序停止各给料设备。该系统由一台上位机来控制多台给料设备，为了实现一定
9、的配比，各给料设备之间的工作要相互联系，而且给定流量要随当前的实际配比进行修正，因此其控制结构是较为复杂的。基于以上这些因素考虑，设计如图2.3所示的第 i 号给料设备的控制方框图模型。Pgi-希望产量Pfi-当前的累积量Fgi-给定流量Ffi-实际流量Fi-瞬时流量由图 2.3 中可知，该系统的设计是一个双闭环控制结构。就第 i 号给料仓而言，有 2 个闭环和一个前馈，外环根据当前的累积值和希望产量之差P 以及前馈环节的给料机当前流量来修正内环的给定值。内环是一个模糊PID 控制器，根据给定流量 Fgi 去控制调速给料机，使给料流量 Fi 控制在给定值 Fgi 理想的范围之内。控制器采用模糊
10、 PID 控制方式和传统 PID 传统方式相结合，当偏差较大时采用模糊控制，当偏差减小到较小范围时采用传统 PID 控制方式。这样就可以解决系统误差较大，其动态特性不理想，超调量较大的控制难题。2.3 电子皮带秤模糊 PID 控制 2.3.1 概述 PID 控制器其算法简单、鲁棒性好，使用中不需建立精确的系统模型，因此成为应用最为广泛的控制器。PID 控制器是根据系统的偏差，利用偏差的比例、积分、微分运算出控制量进行控制的。采用PID 控制器来调节物料的瞬时流量往往需要在仪表中预置 PID 控制调节的 3 个参数 KP，kI，kD，只有当这 3 个参数选取适当，PID 控制的比例-积分-微分环
11、节才能配合良好，使调节过程快速、稳定、准确。但是这3 个参数的选取一般是通过工程师和现场操作人员根据实际经验不断进行试探总结出来的，一旦确定就不能轻易改变。而在实际运行时，皮带秤配料系统会受到各种因素的影响，比如机械振动、物料情况和参数改变等，而运行过程当中系统无法随着外界条件的变化而实时自动调整 PID3 个参数来调节 PID 输出，缺乏灵活性。2.3.2 系统的控制模型设计该系统的特点是由一台控制机来控制多台给料机，为了实现一定的配比，各给料机之间的工作又是相互联系的，而且给定量要随当前的实际配比进行修改，因此其控制结构是较为复杂的。第 i 号给料机的控制方框图模型如图 3.1 所示。从图
12、 3.1 中可以看出，该系统的设计是一个双闭环控制结构。就第 i 号给料仓而言，有 2 个闭环和 1 个前馈，外环根据当前的累积值和希望产量之差P 以及前馈环节的给料机当前流量来修正内环的给定值。内环是一个模糊PID 控制器，根据给定流量 Fgi 去控制调速给料机，使给料流量 Fi 控制在给定值 Fgi 理想的范围之内。在本设计中，配料系统受许多因素的影响，比如说传感器的选择、设备的安装、物料的物理特性等等，当有较大误差，其动态特性不理想，超调量也较大时，需要结合模糊控制的原理创建系统的模糊控制结构及模型。改进控制效果，提高配料系统的精度。2.3.3 模糊控制原理模糊控制是一种基于规则的控制，
13、它采用语言型控制规则，通过模糊逻辑和近似推理的方法，将现场操作人员的控制经验或相关专家的知识形式化、模型化，变成计算机可以接受的控制模型，让计算机来代替人进行有效的控制。为实现模糊控制，语言变量的概念可以作为手动控制策略的基础，并在此基础上发展为一种新型的控制器一模糊控制器。模糊控制结构图如图3.2 所示：图中：Fgi-系统的设定流量，是精确量。Ffi-系统测量的瞬时流量，是精确量。e，c-系统偏差与偏差变化率，是精确量，它们是模糊控制器的输入。E，C-经模糊量化处理后偏差与偏差变化率的模糊量。U-模糊量的偏差与偏差变化率经模糊控制规则、近似推理处理后，得到输出控制的模糊量。u-输出控制的模糊
14、量经模糊判决后得到的精确控制量，控制被控对象。Fi-系统的输出。3.3.4 模糊控制器的设计及实现如图 3.3 所示，被控量为给料流量 Fi，控制量为 Ui，采用模糊 PID 控制器和传统 PID 相结合，当偏差较大时采用模糊控制，当偏差减小到较小范围时采用传统 PID 控制方式。二种控制方式由 Bang-Bang 开关进行切换，控制器结构图如图 3.3 所示。图 3.3 模糊 PID 控制器结构图 Bang-Bang 转换开关 Bang-Bang转换开关实际上是控制器中的软件开关，由它决定采用那种控制算法。设 e1 表示大小偏差的分界值，其切换规律如下：当|e|e1时，KP=1，Kf=0，即
15、采用 PID 控制规律；当|e|e1 时，KP=0，Kf=1，即采用模糊控制规律。由图 3.4 可知，模糊控制系统通常由模糊控制器、输入/输出接口、被控对象给料机和测量装置称重仪表等四个部分组成。其中，模糊控制器是模糊控制系统的核心，本设计中系统采用二维输入一维输出模型，即以系统的偏差和偏差变化率为输入量，以对被控对象的控制量作为输出量。模糊控制系统的品质在很大程度上取决于控制规则及隶属度的确定，控制规则是其核心，一般用 IF a THEN b的表达形式，条件 a 可以是多个条件逻辑积。具体实现步骤如下：(l)输入输出变量的模糊化(2)输入输出变量的模糊集论域(3)根据专家知识或实际操作经验得
16、出模糊控制器的控制规则(4)由模糊控制器的控制规则表得出由输入到输出的模糊关系 R(5)模糊推理(6)模糊判决(输出量的去模糊化)(7)模糊控制查询表模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。在本设计中选择模糊控制器输入变量的个数是 2，也就是模糊控制器的维数是 2，所以是二维模糊控制器。本设计针对配料环节，设计出关于流量的模糊控制器，把瞬时流量 Fi 与设定流量抢之间的偏差。与偏差变化率 ec 作为模糊控制器的 2 个输入变量。模糊控制器的输出是 PID 控制器 3 个调节参数 kP，kI，kD，是通过 PID 调节器后，由变频器来控制流量的，控制模型如图 3.4所示，根据
17、模糊控制器的实现方法可以得到偏差 e，偏差变化率 ec 与 PID3个参数之间关系的模糊控制查询表。系统在运行中不断检测 e 和 ec，通过查找查询表来对 3 个参数进行在线调整，以满足不同。和 ec 对 3 个参数的不同要求。具体实现步骤如下：输入输出变量的模糊化系统中输入变量的实际变化范围称为变量的基本论域输入偏差 e 基本论域为-e，e量化论域为 E=-3,-2,-1,0,l,2,3量化因子 ke=若基本论域为a,b，量化论域为 E=-3,-2,-1,0,1,2,3，则离散化为X=(-)取整数，其中 xE，a,b输入偏差变化率 ec 基本论域为-ec,ec量化论域为 EC=-3,-2,-
18、1,0,1,2,3量化因子 Kec=若基本论域为c,d，量化论域为 EC=-3,-2,-1,0,1,2,3，则离散化为=(*-)取整数，其中EC，*c,d输出 KP 基本论域为-m,m量化论域为 KP=-3,-2,-1,0,1,2,3比例因子 Kkp=若输出 Kp 基本论域为m,n量化论域 KP=-3,-2,-1,0,1,2,3，则离散化为z=(z*-)取整数，其中 zKP，z*m,n同理，输出 KI，KD 的模糊量化原理类似，在这里就不再详述。(4)求模糊关系 R 和模糊控制表由表 3.3 可以看出，KP 的模糊控制规则表由 7x7=49 条小规则组成，由每个小规则可以得到一个模糊关系 R，
19、分别对 49 个模糊关系取“并”运算，即可得到由输入 e,ec 到输出助的模糊关 RP：由表 3.3 得：R1=(NB)e(NB)ecT1。(PB)KPR2=(NB)e(NB)ecT1。(PB)KP计算过程(略)最终：0000000000.RP=I(i=1,2,49)=.000000.50000.00000.50.50.5000.0000.50.511000.0.20.50.50.50.50.50.50.20.50.5.0.60.6110.50.500.50.50.5.1 10.50.50.5000.50.50.5.(3.2)(5)模糊推理及输出量的去模糊化系统运行过程中，系统在每个采样周期对
20、采集到的每一个具体 e 和 ec 先将其量化，量化为论域中的元素X,Y,再将 e 和 ec 模糊化为 E*EC*由公式(3.3)求出对应的输出量。KP=(E*EC*)T1。RP (3.3)模糊 PID 控制器的设计最终是为了得到偏差 e、偏差变化率 ec 与 PID3个调整参数 Kp，KI，KD 之间关系的模糊控制查询表，因此算法实现的核心就是将这 3 个控制查询表变成计算机可以接受的数学模型。配料系统在运行过程中，配料秤仪表不断地输出瞬时流量值，并实时地计算出与设定流量值之间的偏差和偏差变化率 e，ec，然后将它们模糊化为 E，EC，通过查找 3个模糊控制查询表即可得到 Kp，KI，KD 三
21、个参数的调整量，从而完成对 PID控制器参数的实时调整。在系统实际调试过程中发现，采用 FUZZY-PID 控制方式比单纯采用 PID控制，系统波动较小，更容易稳定，系统调整时间也有明显改善。2.4 模糊 PID 控制算法仿真 2.4.1 概述仿真技术是以控制论、系统工程论及软件工程技术为基础，建立所研究对象(系统、事件或过程)的数学模型或物理模型，借助于计算机和各类光、电、声等物理效应装置，对系统的性能、事件的特征或过程的发展进行试验研究、预测和分析评定的一门综合性技术。仿真技术具有无破坏性、安全、可多次重复和经济等特点，是建立在科学理论基础上的。在研究动态现实系统时，利用仿真技术可快速正确
22、地对系统未来的工作做出判断和预测，而不必建立真实复杂的现场环境。随着科学技术的发展，仿真技术己扩展到工业生产、社会管理及生态环境等各个领域。系统仿真中，建立所研究对象的数学模型或物理模型是最重要的工作，模型描述实际系统和过程越精确，人们通过仿真对实际系统的认识也越正确。建立正确、完整的系统模型包括1)深入了解系统，确定仿真目的，明确仿真环境。2)对仿真部分做详尽的分析，确定各个变量之间的关系。3)确定有关技术参数。4)建立完整的模型结构。现实工业中的生产系统，一般都比较复杂，在系统调试中，难以建立真实的现场工作环境，无法进行系统分析和判断，而仿真就是解决这一难题的有力手段。MATLAB 是目前
23、控制系统计算机辅助设计最有效的工具，它不仅能解决控制理论中大量的矩阵运算问题，而且提供了强有力的工具箱支持，如模糊逻辑工具箱 FuzzyLogic；Toolbox，尤其是 Simulink 工具平台的出现，使得控制系统的设计与仿真变得相当容易和直观。本设计中直接利用Simulink 图形化工具平台的设计与仿真方法，对配料秤仪表中采用的模糊PID 控制算法进行了仿真。2.4.2 模糊 PID 控制算法仿真皮带秤自动配料系统设备生产完毕后，要在生产现场实现系统出厂前的实际联调有很多困难，因为皮带秤设备体积庞大，占地面积多；而且要实际运行物料，实现物料的连续可调节，还需要有物料循环系统等设备，也需要
24、可观的资本消耗。在本配料皮带秤系统中，给料设备为电磁振动给料机，由直流电机拖动，直流电机由可控硅供电设备驱动。模糊 PID 控制器输出标准的 420mA 电流信号到可控硅供电设备，通过电流信号幅值的大小变化改变可控硅整流器导通角，进而改变直流调速电机的电压幅值来调整给料机振动频率，从而达到调节皮带上物料流量的目的。由此可见，420mA 电流信号输出控制的对象为配料皮带秤，直流电机为执行机构。假设配料皮带秤的数学模型为 e-3s，在Simullink 设计窗口下进行仿真试验。依据第三章介绍的模糊月刃控制器的设计方法，利用 MATLAB 中的模糊逻辑工具箱设计出相应的模糊 PID 控制器模型，并以
25、 fuzzy.fis 进行保存。然后建立配料皮带秤系统模糊 PID 控制框图，如图 5.1 所示。输入信号为单位阶跃信号，初始参数如图所示，采样时间为0.01s，系统的e以及ec的取值范围根据实际分别确定为-100t/h和-20,20得到的仿真曲线如图 5.2 所示。现在如果受到外界干扰，系统参数发生变化时，即皮带秤配料系统的被控对象的数学模型变为:e-3s仍然采用上述方法进行仿真，得到的仿真曲线如图 5.3 所示。经过仿真，从仿真出来的图形可以充分说明在系统受到干扰时，系统输出在起始时刻超调量有一定的增大，但是正是因为设计中应用模糊 PID 技术，因为模糊控制器的特点就是可以根据 e 和 e
26、c 对 PID 的 3 个参数(KP，KI，KD)进行实时修正，在线就可以调整 PID 输出。所以响应很快，上升时间tr很短，过度过程也很快。由此可见，在实践中根据系统的具体情况及对超调量、稳定性、响应速度的不同需求，来调整模糊 PID 控制器三个参数的取值范围，从而得到不同的控制精度和控制效果。采用模糊 PID 控制后，通过模糊控制器对 PID 进行非线性的参数整定，可使系统在复杂环境下快速、准确的达到稳定状态，在现实生产过程中能达到较为满意的控制效果。通过计算机仿真实验，可以快速验证设计的准确性，以便及时解决实践中遇到的问题，使系统调试变为方便简洁。总之计算机仿真技术是各种系统分析必不可少
27、的强大工具。第三章总结与展望在这次设计中，我通过对皮带秤配料系统系统进行 PID 仿真，使我详细了解皮带秤配料系统的工作原理，并且学会了如何使用 PID 校正法来对不稳定的系统进行校正。这次设计将对我以后的相关设计起到很好的帮助作用。在以后学习中我会充分利用 Matlab 软件进行系统分析。参考文献1 王燕平.控制系统仿真与 CAD.北京：机械工业出版社，20112 胡寿松.自动控制原理简明教程.北京：科学出版社，20083 陶永华,尹怡欣.新型 PID 控制及其应用M.北京:机械工业出版社,1998:6.4 郭秀才,舒怀林.基于 PID 神经网络的温度控制J.工矿自动化,2008,6(3):31234.5刘金锟.先进 PID 控制及 Matlab 仿真M.北京:机械工业出版社,2005.