载热体前馈反馈控制系统仿真.docx

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载热体前馈反馈控制系统仿真

热体前馈-反馈控制系统仿真

内蒙古科技大学

本科生课程设计论文

题目：

载热体前馈-反馈控制系统仿真

学生姓名：

孙乐

学号：

0867112302

专业：

测控技术与仪器

班级：

08-3班

指导教师：

李琦

2011年11月30日

内蒙古科技大学课程设计任务书

课程名称

控制系统仿真

设计题目

载热体前馈-反馈控制系统仿真

指导教师

李琦

时间

2011.11.28~2011.12.02

一、教学要求

1、理解载热体前馈-反馈控制系统的组成及其工作原理；

2、掌握使用Matlab/Simulink软件对控制系统的建模与仿真的方法；

3、掌握控制器的设计方法，以及控制器参数整定和优化的方法。

二、设计资料及参数

设计资料详见《过程控制系统的Matlab仿真》（刘文定主编）9.1.3节。

本设计涉及到的控制原理、过程控制系统等内容参考相关专业课教学内容。

设计参数：

见《过程控制系统的Matlab仿真》（刘文定主编）9.1.3节。

三、设计要求及成果

1、利用Simulink建立载热体前馈-反馈控制系统仿真模型，采用前馈反馈控制和串级控制两种方案。

2、设计以上系统中控制器的参数，观察仿真结果，比较各种参数下的系统响应曲线，内容验证仿真结果的正确性;

3、撰写不少于3000字的设计报告。

设计报告要求提交纸质文档，设计报告包括设计背景、设计原理、设计过程、结果分析等几个部分，要求给出设计模型图以及仿真结果图。

相关Matlab/Simulink设计文件要求提交电子文档。

四、进度安排

收集和查阅资料（一天）

Matlab/Simulink建模（两天）

控制系统设计与优化（一天）

编写技术设计书（一天）

五、评分标准

课程设计成绩评定依据包括以下几点：

1）工作态度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的设计是否可行和优化（40%）；4）课程设计技术设计书编写水平（占30%）。

分为优、良、中、合格、不合格五个等级。

考核方式：

设计期间教师现场检查；评阅设计报告。

六、建议参考资料

1、《控制系统数字仿真与CAD》，李国勇，电子工业出版社，2011年1月第2版

2、《过程控制系统的Matlab仿真》,刘文定，机械工业出版社，2009年2月第1版

摘要

MATLAB是一种高性能、强大的数据处理软件，它包含科学计算、图像处理、仿真分析等各个方面，MATLAB不仅流行于控制界，在机械工程、生物工程、语音处理、图像处理、信号分析、计算机技术等各行各业中都有极广泛的应用。

本次课程设计是在理解了载热体前馈-反馈控制系统的组成及其工作原理的基础上，用Matlab/Simulink软件对相应的控制系统进行建模与仿真，并对控制器参数进行整定和优化，使整个控制系统达到最稳定的状态。

关键词：

MATLAB；前馈-反馈控制系统；Simulink仿真；

第一章前言

1.1研究背景

传热是最普遍的一种现象，几乎所有的工程领域都会遇到一些在特定条件下的传热问题，包括传热同时发生的复杂传热问题。

现代科学技术突飞猛进，传热学的工程应用研究也已跨越传统的能源动力，工艺过程节能的范畴，在材料的制造和加工、航天技术的发展、信息技术的温控、生物技术、医学等不同领域都有涉及。

特别是高技术的发展。

正面临着温度场、速度场、浓度场、电磁场、光场、声场、化学势场等各种场相互耦合下的热量传递过程的控制。

1.2研究目的

在换热器出口温度控制系统由于冷、热流体的流量，热传导等很多因素导致控制系统作用不及时，反应迟钝、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰能力差、控制精度低。

而工艺上对换热器出口温度的要求很高，采用单闭环控制系统难以达到理想的控制效果。

前馈-反馈串级控制系统能够达到的主要目的有：

1.使工艺介质达到规定的温度。

对工艺介质进行加热或冷却，已使化学反应或其他工艺过程都顺利地进行，使工艺过程在规定的温度范围内进行。

2.吸收热量。

在生产过程中加入吸收的热量或除去放出的热量，使工艺过程在规定的温度范围内进行。

3.使工艺介质改变相态。

根据工艺过程的要求，有时加热使工艺介质汽化或冷凝除热，使气相物料液化等，最终能够克服来自副回路的各种干扰，维持控制系统的稳定。

1.3研究前景

目前，换热器的过程控制仍多采用传统的PID控制算法。

因此，对现有的控制算法进行优化，或者找到一种更优的控制策略具有非常重要的意义。

而通过MATLAB仿真，分析比较几种控制方法在系统参数发生变化时的控制结果，证明提出的控制方法取得了较好的控制效果，在时滞过程的控制中具有一定的应用前景。

第二章换热器的相关技术参数及特性

2.1换热器的特性

换热器的静态特性方程为

=

其中G、G分别为工艺介质及载热体的流量；T、T分别为工艺介质及载热体的出口温度；c、c分别为工艺介质及载热体的比热容。

2.2换热器的静态放大增益：

1.工艺介质入口流量G对出口温度T的影响（即通道的静态增益K）

通道的增益可根据通道输出变量增益与输入变量增量之比得到，即

K==

两者为非线性关系，对于不同的、和G可绘出工艺介质流量与出口温度的关系曲线。

根据关系曲线可得出：

⑴随着工艺介质流量的增大，通道增益的数值减小，即工艺介质的流量增大时，当供给热量不变，则流体出口温度会降低。

⑵通道特性曲线具有饱和非线性，当Gc较大时，工艺介质流量的变化对出口温度的影响已经很小了。

2.载热体入口温度T对出口温度T的影响（通道的静态放大增益K）

当其他变量保持不变时，可以得到载热体入口温度到出口温度通道的增益K，即

K==

载热体入口温度T对出口温度T的影响为线性关系，载热体入口温度T升高时，出口温度也升高。

3．工艺介质入口温度T对出口温度T的影响（即通道的静态增益K）

K==1-

工艺介质入口温度T与出口温度T直接为线性关系，其静态放大增益为小于1的常数。

4.载热体流量G对出口温度T的影响（即通道的静态放大增益K）

K==

载热体流量G对出口温度T的影响为非线性关系，对于不同的、和G可绘出载热体流量G与出口温度的关系曲线如图所示：

载热体流量与出口温度的关系

载热体流量G对出口温度的影响如下：

⑴随着载热体流量的增大，通道的静态放大增益K的数值减小，即出口温度增大；

⑵当Gc较大时，曲线呈饱和特性，此时载热体流量的变化对出口温度的影响很小。

2.3对象的动态特性

换热器其动态特性为分布参数的非线性方程，但为了说明换热器动态特性的基本规律，可以用近似关系来描述。

⑴工艺介质入口温度T对出口温度T的影响可用纯滞后环节来描述，即

G=Ke

式中K—通道静态增益；

—通道的滞后时间。

⑵载热体入口温度T、流量G及工艺介质入口流量G对出口温度T的影响可用一带有纯滞后的二阶惯性环节来近似，即

G=

式中K—三通道总的静态增益；

—三通道总的滞后时间。

第三章设计理论及仿真过程

3.1设计理论及分析方法

换热器出口温度与工艺介质入口温度、工艺介质流量、载热体入口温度、载热体流量有关。

其中，工艺介质入口温度、工艺介质流量、载热体入口温度都是由前一道工序确定，因此是可测量但不可控的。

为此，换热器控制的操纵变量可选择为载热体流量。

根据热量平衡方程和传热方程，在传热面积足够大时，改变载热体的流量，可有效的控制工艺介质出口温度。

当载热体压力波动不大时，可采用工艺介质出口温度为被控变量、载热体流量为操纵变量的单回路控制系统，该方案适用于载热体流量的变化对出口温度影响较灵敏的场合。

当影响出口温度的其他三个变量变化较频繁、幅值波动较大且变量可测量时，可构成工艺介质为前馈信号和载热体流量的前馈-反馈控制系统，若载热体压力波动较大，也可将它作为副被控变量，组成串级控制系统。

载热体前馈-反馈和串级控制系统的结构如图所示：

a）

b）

载热体前馈-反馈和串级控制系统框图

2.2载热体前馈-反馈控制系统的仿真过程

    通过对换热器过程控制的分析，在了解其控制过程性能特点的基础上，选用其功能强大的MATLAB进行仿真。

MATLAB是现今流行的一种高性能数值计算与图形显示的科学和工程计算软件，基本单位为矩阵，其表达式与数学、工程计算中常用的形式类似［4］。

并且矩阵的行和列无需定义，可随时添加和修改，有极强的可扩展性，主要包括主程序，SLMULINK和工具箱。

MATLAB/SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它具有模块化、可重载、可封装、面向结构图编程及可视化等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性。

MATLAB的优化工具箱中提供了一系列用于解决无约束和有约束问题的优化函数，可以方便地用来对普通非线性函数求解极大或极小值。

利用SIMULINK和优化工具箱，用仿真与优化有机结合以实现PID控制器参数的优化［1］。

在换热器动态特性分析基础上，设计简便演示程序，这样可以方便的观察在不同输入量的变化情况下，换热器输出量的仿真曲线;

采用前馈-反馈控制系统仿真框图如图所示：

采用反馈控制器和动态前馈控制器参数分别整定方法，反馈控制器采用PI形式。

第四章设计小结

本次设计是对载热体前馈-反馈控制系统的仿真，通过对相应控制系统的设计、分析及仿真，来不断地对控制系统参数进行整定和修改，最终使系统达到稳定状态。

经过这一周的Matlab课程设计，让我认识到了Matlab在各个领域的重要性，同时也对Matlab这门学科有了更深入地了解。

这次课程设计使自己学到了很多知识，更进一步地加深了自己对Matlab/Simulink软件的认识与了解。

除此之外，还学到了很多在书本上所没有学到的知识，并且提高了自己查阅资料、分析问题、解决问题的能力，也使自己对控制系统仿真的整体性有了一定的了解。

通过这次Matlab课程设计，也让我认识到我们只学习理论知识是远远不够的，只有把理论知识与实践相结合，才能真正的运用于我们的现实生活中，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

同时也发现了自己的不足，自己对以前学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，自己对很多东西的认识不够到位，缺乏对所学知识进行综合的能力，对控制系统仿真整体设计及分析的条理不是很清晰。

所以，在以后的学习中应该更加努力，在学习新知识的同时弥补自己的不足。

这次课程设计对自己今后的学习和实践起到了很大的作用，也使自己有了很大的收获！

参考文献

[1]薛定宇.控制系统仿真与计算机辅助设计[M].北京：

机械工业出版社，2005

[2]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：

电子工业出版社，2003，

[3]薛定宇.控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言及应用[M].北京：

清华大学出版社，1996

[4]易继锴.智能控制技术[M].北京：

北京工业大学出版社，2003.

[5]王丹力.MATLAB控制系统设计仿真应用[M]，北京：

中国电力出版社，2007.

[6]李国勇.控制系统数字仿真与CAD[M].北京：

电子工业出版社,2011.

[7]邵裕森.过程控制及仪表[M].上海：

上海交通大学出版社,1995.

[8]金以慧.过程控制[M].北京：

清华大学出版社，2003.

[9]刘文定.过程控制系统的Matlab仿真[M].北京：

机械工业出版社,2009.

[10]徐金明.MATLAB实用教程[M].北京：

清华大学出版社,2005.