MATLAB/Simulink與過程控制系統(tǒng)仿真

內容概要

本書以仿真應用為中心，系統(tǒng)、詳細地講述了過程控制系統(tǒng)的仿真，并結合MATLAB/Simulink仿真工具的應用，通過大量經典的仿真實例，全面講述過程控制系統(tǒng)的結構、原理、設計和參數(shù)整定等知識。全書分為基礎篇、實戰(zhàn)篇和綜合篇?；A篇包括過程控制及仿真概述、MATLAB計算與仿真基礎、Simulink仿真基礎、Simulink高級仿真技術，以及過程控制系統(tǒng)建模；實戰(zhàn)篇包括PID控制、串級控制、比值控制、前饋控制、純滯后和解耦控制系統(tǒng)；綜合篇包括典型工業(yè)過程仿真實訓。

書籍目錄

基礎篇
第1章 過程控制及仿真概述2
1.1 過程控制系統(tǒng)概述2
1.1.1 系統(tǒng)結構2
1.1.2 系統(tǒng)特點5
1.1.3 系統(tǒng)分類5
1.2 過程控制系統(tǒng)的性能指標6
1.2.1 過渡過程性能指標7
1.2.2 誤差性能指標8
1.3 過程控制理論的發(fā)展現(xiàn)狀9
1.4 過程控制系統(tǒng)仿真基礎10
1.4.1 計算機仿真基本概念11
1.4.2 仿真在過程控制中的應用12
1.5 MATLAB/Simulink在過程仿真中的優(yōu)勢15
1.6 本章小結16
第2章 MATLAB計算與仿真基礎17
2.1 MATLAB概述17
2.1.1 MATLAB發(fā)展歷程17
2.1.2 MATLAB系統(tǒng)構成18
2.1.3 MATLAB常用工具箱18
2.2 MATLAB桌面操作環(huán)境19
2.2.1 啟動和退出19
2.2.2 主菜單20
2.2.3 命令窗口24
2.2.4 工作空間25
2.2.5 文件管理26
2.2.6 幫助系統(tǒng)27
2.3 MATLAB數(shù)值計算基礎27
2.3.1 MATLAB數(shù)值類型27
2.3.2 矩陣運算30
2.4 關系運算和邏輯運算33
2.5 符號運算34
2.5.1 符號運算基礎34
2.5.2 控制系統(tǒng)中常用的符號運算34
2.6 復數(shù)和復變函數(shù)運算35
2.6.1 復數(shù)運算基礎36
2.6.2 拉普拉斯變換及逆變換39
2.6.3 Z變換及逆變換40
2.7 MATLAB的圖形繪制42
2.8 MATLAB程序設計基礎45
2.8.1 MATLAB程序類型45
2.8.2 MATLAB程序流程控制46
2.8.3 MATLAB程序基本設計原則48
2.9 本章小結49
第3章 Simulink仿真基礎50
3.1 Simulink仿真概述50
3.1.1 Simulink的啟動與退出50
3.1.2 Simulink模塊庫51
3.2 Simulink仿真模型及仿真過程56
3.2.1 Simulink仿真模型組成56
3.2.2 Simulink仿真的基本過程57
3.3 Simulink模塊的處理58
3.3.1 Simulink模塊參數(shù)設置58
3.3.2 Simulink模塊基本操作60
3.3.3 Simulink模塊連接62
3.4 Simulink仿真設置63
3.4.1 仿真器參數(shù)設置64
3.4.2 工作空間數(shù)據(jù)導入/導出設置66
3.5 Simulink仿真舉例67
3.6 本章小結70
習題與思考71
第4章 Simulink高級仿真技術72
4.1 Simulink子系統(tǒng)及其封裝72
4.1.1 創(chuàng)建子系統(tǒng)72
4.1.2 封裝子系統(tǒng)73
4.1.3 封裝的查看和解封裝75
4.1.4 子系統(tǒng)實例75
4.2 S函數(shù)設計與應用78
4.2.1 S函數(shù)設計模板78
4.2.2 S函數(shù)設計舉例80
4.3 使用Simulink仿真命令84
4.4 Simulink仿真建模的要求85
4.5 Simulink控制系統(tǒng)仿真實例86
4.6 本章小結94
習題與思考94
第5章 過程控制系統(tǒng)建模95
5.1 過程模型概述95
5.1.1 過程建模的目的和要求95
5.1.2 過程模型類型96
5.1.3 自衡過程與非自衡過程97
5.2 常見的過程模型類型97
5.2.1 自衡非振蕩過程97
5.2.2 無自衡非振蕩過程98
5.2.3 自衡振蕩過程99
5.2.4 具有反向特性的過程99
5.3 過程建模基礎100
5.3.1 過程建模法分類100
5.3.2 階躍響應法建模101
5.3.3 過程模型的特點105
5.4 單容過程模型106
5.4.1 無自衡單容過程106
5.4.2 自衡單容過程108
5.5 多容過程模型110
5.5.1 有相互影響的雙容過程110
5.5.2 無相互影響的雙容過程112
5.6 模型參數(shù)對控制性能的影響114
5.6.1 靜態(tài)增益的影響115
5.6.2 時間常數(shù)的影響115
5.6.3 時滯的影響116
5.7 本章小結116
習題與思考117
實戰(zhàn)篇
第6章 PID控制120
6.1 PID控制概述120
6.2 PID控制算法121
6.2.1 比例（P）控制121
6.2.2 比例積分（PI）控制123
6.2.3 比例微分（PD）控制125
6.2.4 比例積分微分（PID）控制127
6.3 PID控制器參數(shù)整定128
6.3.1 Ziegler-Nichols整定法128
6.3.2 臨界比例度法134
6.3.3 衰減曲線法138
6.4 本章小結142
習題與思考142
第7章 串級控制系統(tǒng)144
7.1 串級控制系統(tǒng)概述144
7.1.1 基本概念144
7.1.2 基本組成146
7.1.3 串級控制的特點147
7.2 串級控制系統(tǒng)性能分析148
7.2.1 抗擾性能148
7.2.2 動態(tài)性能150
7.2.3 工作頻率151
7.2.4 自適應能力154
7.3 串級控制系統(tǒng)設計155
7.3.1 副回路選擇155
7.3.2 主、副控制器的設計157
7.4 串級控制參數(shù)整定159
7.4.1 逐次逼近法159
7.4.2 兩步法160
7.4.3 一步法160
7.5 綜合仿真實例161
7.5.1 串級與單回路控制對比仿真161
7.5.2 串級控制的參數(shù)整定仿真165
7.5.3 串級控制系統(tǒng)設計仿真167
7.6 本章小結170
習題與思考170
第8章 比值控制系統(tǒng)171
8.1 比值控制系統(tǒng)概述171
8.1.1 比值控制系統(tǒng)特點172
8.1.2 比值控制系統(tǒng)的類型172
8.1.3 比值系數(shù)計算179
8.2 比值控制系統(tǒng)設計180
8.2.1 比值控制方式的選擇180
8.2.2 主從物料的選擇181
8.2.3 比值控制系統(tǒng)工程整定182
8.3 綜合仿真實例183
8.3.1 單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)仿真183
8.3.2 雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)仿真188
8.3.3 變比值控制系統(tǒng)仿真192
8.3.4 參數(shù)攝動對系統(tǒng)影響仿真196
8.4 本章小結199
習題與思考200
第9章 前饋控制系統(tǒng)201
9.1 前饋控制系統(tǒng)概述201
9.1.1 系統(tǒng)結構201
9.1.2 系統(tǒng)特點203
9.1.3 系統(tǒng)分類204
9.2 前饋控制系統(tǒng)設計212
9.2.1 前饋控制系統(tǒng)選擇原則212
9.2.2 工程整定213
9.3 綜合仿真實例218
9.3.1 靜態(tài)前饋系統(tǒng)仿真219
9.3.2 動態(tài)前饋系統(tǒng)仿真223
9.3.3 前饋-反饋復合系統(tǒng)仿真228
9.3.4 前饋-串級復合系統(tǒng)仿真233
9.3.5 參數(shù)攝動對系統(tǒng)影響仿真236
9.4 本章小結241
習題與思考241
第10章 純滯后系統(tǒng)242
10.1 純滯后系統(tǒng)概述242
10.2 純滯后系統(tǒng)的設計244
10.2.1 改進的常規(guī)控制方案244
10.2.2 補償控制方案246
10.3 綜合仿真實例254
10.3.1 微分先行控制仿真254
10.3.2 中間微分控制仿真260
10.3.3 史密斯補償控制仿真262
10.3.4 增益自適應補償控制仿真265
10.3.5 改進型史密斯補償控制仿真271
10.3.6 參數(shù)攝動對系統(tǒng)影響仿真273
10.4 本章小結278
習題與思考278
第11章 解耦控制系統(tǒng)279
11.1 解耦控制系統(tǒng)概述279
11.1.1 系統(tǒng)特點280
11.1.2 相對增益280
11.2 解耦控制系統(tǒng)設計285
11.2.1 系統(tǒng)分類及解耦方法285
11.2.2 解耦控制方案286
11.2.3 解耦控制中的問題289
11.3 綜合仿真實例290
11.3.1 前饋補償解耦控制291
11.3.2 反饋補償解耦控制296
11.3.3 對角陣解耦控制300
11.3.4 參數(shù)攝動對系統(tǒng)影響仿真308
11.4 本章小結312
習題與思考312
綜合篇
第12章 典型工業(yè)過程仿真實訓316
12.1 燃燒過程控制系統(tǒng)316
12.1.1 系統(tǒng)特點316
12.1.2 綜合仿真實例318
12.2 pH值控制系統(tǒng)326
12.2.1 系統(tǒng)特點326
12.2.2 綜合仿真實例328
12.3 精餾控制系統(tǒng)336
12.3.1 系統(tǒng)特點337
12.3.2 基本控制方案338
12.3.3 綜合仿真實例341
12.4 本章小結348
習題與思考348
參考文獻349

章節(jié)摘錄

版權頁：   插圖：   5.3.1過程建模法分類 從控制的角度來看，過程的靜態(tài)數(shù)學模型是系統(tǒng)方案和控制算法設計的重要基礎之一，然而，在不少情況下，必須同時掌握過程的動態(tài)特性，把靜態(tài)模型和動態(tài)模型結合起來。 建立模型的方法可分為機理建模方法和測試建模方法，下面分別進行闡述。 1.機理法 用機理法建模就是根據(jù)過程的內在機理，寫出各種有關的平衡方程，例如物質平衡方程、能量平衡方程、動量平衡方程、相平衡方程，以及反映流體流動、傳熱、傳質、化學反應等基本規(guī)律的運動方程、物性參數(shù)方程和某些設備的特性方程等，從中獲得所需的數(shù)學模型。 機理法建模也稱為過程動態(tài)學方法，它的特點是把研究的過程視為一個透明的匣子，因此建立的模型也稱為“白箱模型”。 機理法建模的主要步驟如下： （1）根據(jù)過程的內在機理，寫出各種有關的平衡方程； （2）消去中間變量，建立狀態(tài)變量、控制變量和輸出變量之間的關系： （3）在工作點附近對方程進行增量化，建立增量化方程： （4）在工作點處進行線性化處理，簡化過程特征： （5）列出狀態(tài)方程和輸出方程。 機理法建模的首要條件是過程的先驗知識，并且對過程進行比較確切的數(shù)學描述。用機理法建模時，有時也會出現(xiàn)模型中有某些參數(shù)難以確定的情況，這時可用實驗數(shù)據(jù)或實測工業(yè)數(shù)據(jù)來確定這些參數(shù)。 2.測試法 測試法建模通常只用于建立輸入輸出模型。它是根據(jù)過程的輸入和輸出的實測數(shù)據(jù)進行某種數(shù)學運算后得到的模型，其主要特點是把被研究的過程視為一個黑匣子，完全從外特性上描述它的動態(tài)性質，也稱為“黑箱模型”。復雜過程一般都采用測試法建模。測試建模法又可分為經典辨識法和系統(tǒng)辨識法兩大類。 （1）經典辨識法 不考慮測試數(shù)據(jù)中偶然性誤差的影響，只需對少量的測試數(shù)據(jù)進行比較簡單的數(shù)學處理，計算工作量一般較小。經典辨識法包括時域法、頻域法和相關分析法。 采用經典辨識法，直接獲得的是非參數(shù)模型，一般是以時間或頻率為自變量的實驗曲線或數(shù)據(jù)集。用階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦波函數(shù)或是隨機函數(shù)作用于過程，直接得到的是階躍響應、脈沖Ⅱ向應、頻率響應、相關函數(shù)或譜密度，它們都是圖形或數(shù)據(jù)集。 對本類方法的對象，只需做出線性假定，并不需要事先確定模型的具體結構，因而本類方法適用范圍廣，工程上獲得了廣泛應用。

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