載熱體前饋-反饋控制系統(tǒng)仿真

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生課程設(shè)計論文題 目：載熱體前饋- 反饋控制系統(tǒng)仿真學(xué)生姓名：孫樂學(xué)號：0867112302專業(yè)：測控技術(shù)與儀器班級：08-3 班指導(dǎo)教師：李琦2011 年 11 月 30 日內(nèi)蒙古科技大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱控制系統(tǒng)仿真設(shè)計題目載熱體前饋-反饋控制系統(tǒng)仿真指導(dǎo)教師李琦時間2011.11.282011.12.02一、教學(xué)要求1、理解載熱體前饋-反饋控制系統(tǒng)的組成及其工作原理；2、掌握使用Matlab/Simulink軟件對控制系統(tǒng)的建模與仿真的方法；3、掌握控制器的設(shè)計方法，以及控制器參數(shù)整定和優(yōu)化的方法。二、設(shè)計資料及參數(shù)設(shè)計資料詳見過程控制系統(tǒng)的Matlab仿真（劉文定

2、主編）9.1.3節(jié)。本設(shè)計涉及到的控制原理、過程控制系統(tǒng)等內(nèi)容參考相關(guān)專業(yè)課教學(xué)內(nèi)容。設(shè)計參數(shù)：見過程控制系統(tǒng)的Matlab仿真（劉文定主編）9.1.3節(jié)。三、設(shè)計要求及成果1、利用Simulink建立載熱體前饋-反饋控制系統(tǒng)仿真模型，采用前饋反饋控制和串級控制兩種方案。2、設(shè)計以上系統(tǒng)中控制器的參數(shù)，觀察仿真結(jié)果，比較各種參數(shù)下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線，內(nèi)容驗證仿真結(jié)果的正 確性；3、撰寫不少于3000字的設(shè)計報告。設(shè)計報告要求提交紙質(zhì)文檔，設(shè)計報告包括設(shè)計背景、設(shè)計原理、設(shè)計過程、結(jié)果分析等幾個部分，要求給 出設(shè)計模型圖以及仿真結(jié)果圖。相關(guān)Matlab/Simulink設(shè)計文件要求提交電子文檔。四、

3、進度安排收集和查閱資料（一天）Matlab/Simulink 建模（兩天）控制系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化（一天） 編寫技術(shù)設(shè)計書（一天）五、評分標(biāo)準(zhǔn)課程設(shè)計成績評定依據(jù)包括以下幾點：1）工作態(tài)度（占10%; 2）基本技能的掌握程度（占20%; 3）方案的設(shè)計是否可行和優(yōu)化（40%）; 4）課程設(shè)計技術(shù)設(shè)計書編寫水平（占30%）分為優(yōu)、良、中、合格、不合格五個考核方式：設(shè)計期間教師現(xiàn)場檢查；評閱設(shè)計報告。六、建議參考資料1、控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD,李國勇，電子工業(yè)出版社，2011年1月第2版2、過程控制系統(tǒng)的Matlab仿真，劉文定，機械工業(yè)出版社，2009年2月第1版目錄摘要MATLAB 是一種高性能、

4、強大的數(shù)據(jù)處理軟件，它包含科學(xué)計算、圖像處理、仿真分析等各個方面， MATLAB 不僅流行于控制界，在機械工程、生物工程、語音處理、圖像處理、信號分析、計算機技術(shù)等各行各業(yè)中都有極廣泛的應(yīng)用。本次課程設(shè)計是在理解了載熱體前饋-反饋控制系統(tǒng)的組成及其工作原理的基礎(chǔ)上，用 Matlab/Simulink 軟件對相應(yīng)的控制系統(tǒng)進行建模與仿真，并對控制器參數(shù)進行整定和優(yōu)化，使整個控制系統(tǒng)達到最穩(wěn)定的狀態(tài)。關(guān)鍵詞 ： MATLAB ；前饋-反饋控制系統(tǒng)；Simulink 仿真；第一章 前言1.1 研究背景傳熱是最普遍的一種現(xiàn)象， 幾乎所有的工程領(lǐng)域都會遇到一些在特定條件下的傳熱問題， 包括傳熱同時發(fā)生的

5、復(fù)雜傳熱問題。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)突飛猛進， 傳熱學(xué)的工程應(yīng)用研究也已跨越傳統(tǒng)的能源動力， 工藝過程節(jié)能的范疇， 在材料的制造和加工、航天技術(shù)的發(fā)展、信息技術(shù)的溫控、生物技術(shù)、醫(yī)學(xué)等不同領(lǐng)域都有涉及。 特別是高技術(shù)的發(fā)展。 正面臨著溫度場、 速度場、 濃度場、 電磁場、 光場、聲場、化學(xué)勢場等各種場相互耦合下的熱量傳遞過程的控制。1.2 研究目的在換熱器出口溫度控制系統(tǒng)由于冷、 熱流體的流量， 熱傳導(dǎo)等很多因素導(dǎo)致控制系統(tǒng)作用不及時，反應(yīng)遲鈍、最大偏差大、過渡時間長、抗干擾能力差、控制精度低。 而工藝上對換熱器出口溫度的要求很高， 采用單閉環(huán)控制系統(tǒng)難以達到理想的控制效果。 前饋 -反饋串級控制系統(tǒng)

6、能夠達到的主要目的有：1.使工藝介質(zhì)達到規(guī)定的溫度。 對工藝介質(zhì)進行加熱或冷卻， 已使化學(xué)反應(yīng)或其他工藝過程都順利地進行，使工藝過程在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進行。2.吸收熱量。在生產(chǎn)過程中加入吸收的熱量或除去放出的熱量，使工藝過程在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進行。 3.使工藝介質(zhì)改變相態(tài)。 根據(jù)工藝過程的要求， 有時加熱使工藝介質(zhì)汽化或冷凝除熱， 使氣相物料液化等， 最終能夠克服來自副回路的各種干擾， 維持控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。1.3 研究前景目前，換熱器的過程控制仍多采用傳統(tǒng)的 PID 控制算法。因此，對現(xiàn)有的控制算法進行優(yōu)化， 或者找到一種更優(yōu)的控制策略具有非常重要的意義。 而通過MATLAB 仿真，分析比較幾

7、種控制方法在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時的控制結(jié)果，證明提出的控制方法取得了較好的控制效果， 在時滯過程的控制中具有一定的應(yīng)用前景。第二章 換熱器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)及特性2.1 換熱器的特性換熱器的靜態(tài)特性方程為Tio -心=iTz F -電 i GiG)2( Gc2；其中Gi、G2分別為工藝介質(zhì)及載熱體的流量；T2i分別為工藝介質(zhì)及載熱體的出口溫度;C1、C2分別為工藝介質(zhì)及載熱體的比熱容。2.2 換熱器的靜態(tài)放大增益:1.工藝介質(zhì)入口流量Gi對出口溫度Tio的影響（即通道的靜態(tài)增益 KJ通道的增益可根據(jù)通道輸出變量增益ATi0與輸入變量增量AGi之比得到，即/I。-(T2i -Tii), G i ci、

8、K i = ()GiGici1.Gic1Vl2 KF2 G2c2- -(I )KF 2G2c2。匚和Gi可繪出工藝介質(zhì)流量與KF兩者為非線性關(guān)系，對于不同的g%匚、G2c2KF出口溫度的關(guān)系曲線。根據(jù)關(guān)系曲線可得出:隨著工藝介質(zhì)流量的增大，通道增益的數(shù)值減小，即工藝介質(zhì)的流量增大時,當(dāng)供給熱量不變，則流體出口溫度會降低。通道特性曲線具有飽和非線性，當(dāng)Gi較大時，工藝介質(zhì)流量的變化對出口溫度的影響已經(jīng)很小了。2.載熱體入口溫度T2i對出口溫度Tio的影響（通道的靜態(tài)放大增益 K2）當(dāng)其他變量保持不變時，可以得到載熱體入口溫度到出口溫度通道的增益K2 ，即“-TioiK 2 =FiGiCi J .

9、 Gici )KF 2G2c2載熱體入口溫度Tz對出口溫度0的影響為線性關(guān)系，載熱體入口溫度T2i升高 時，出口溫度也升高。3.工藝介質(zhì)入口溫度Tii對出口溫度Tio的影響（即通道的靜態(tài)增益K3）K3=i-iGeiG£i_L . ,(i 一KF2G2c2工藝介質(zhì)入口溫度Tii與出口溫度T10直接為線性關(guān)系，其靜態(tài)放大增益為小于1 的常數(shù)。4.載熱體流量G2對出口溫度一°的影響（即通道的靜態(tài)放大增益 K4）TioK 4 =G2 2G1clKF（T2i -工）T1段）2GiCiG2 C2載熱體流量 G2對出口溫度Tio的影響為非線性關(guān)系，對于不同的G1%匚、KFG2cN匚和G2

10、可繪出載熱體流量G2與出口溫度的關(guān)系曲線如圖所示: KF載熱體流量與出口溫度的關(guān)系載熱體流量G2對出口溫度的影響如下： 隨著載熱體流量的增大，通道的靜態(tài)放大增益K3的數(shù)值減小，即出口溫度增大； 當(dāng)G 2 c2較大時，曲線呈飽和特性，此時載熱體流量的變化對出口溫度的影響很小。2.3對象的動態(tài)特性換熱器其動態(tài)特性為分布參數(shù)的非線性方程， 但為了說明換熱器動態(tài)特性的基本規(guī)律，可以用近似關(guān)系來描述。工藝介質(zhì)入口溫度T1i對出口溫度T10的影響可用純滯后環(huán)節(jié)來描述，即G s =K1e-s式中 Ki通道靜態(tài)增益;E一通道的滯后時間。載熱體入口溫度T2i、流量G2及工藝介質(zhì)入口流量Gi對出口溫度Tio的影響

11、可用一帶有純滯后的二階慣性環(huán)節(jié)來近似，即(Tis 1)(T2s 1)e-s式中 K三通道總的靜態(tài)增益；E三通道總的滯后時間。第三章設(shè)計理論及仿真過程3.1設(shè)計理論及分析方法換熱器出口溫度與工藝介質(zhì)入口溫度、 工藝介質(zhì)流量、載熱體入口溫度、載 熱體流量有關(guān)。其中，工藝介質(zhì)入口溫度、工藝介質(zhì)流量、載熱體入口溫度都是 由前一道工序確定，因此是可測量但不可控的。為此，換熱器控制的操縱變量可 選擇為載熱體流量。根據(jù)熱量平衡方程和傳熱方程，在傳熱面積足夠大時，改變載熱體的流量， 可有效的控制工藝介質(zhì)出口溫度。當(dāng)載熱體壓力波動不大時，可采用工藝介質(zhì)出 口溫度為被控變量、載熱體流量為操縱變量的單回路控制系統(tǒng)，

12、 該方案適用于載 熱體流量的變化對出口溫度影響較靈敏的場合。當(dāng)影響出口溫度的其他三個變量變化較頻繁、幅值波動較大且變量可測量時，可構(gòu)成工藝介質(zhì)為前饋信號和載熱體流量的前饋-反饋控制系統(tǒng)，若載熱體壓力波動較大，也可將它作為副被控變量，組成審級控制系統(tǒng)。載熱體前饋-反饋和審級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖所示：Na)b)載熱體前饋-反饋和串級控制系統(tǒng)框圖2.2載熱體前饋-反饋控制系統(tǒng)的仿真過程通過對換熱器過程控制的分析，在了解其控制過程性能特點的基礎(chǔ)上， 選用其功能強大的MATLAB進行仿真。MATLAB是現(xiàn)今流行的一種高性能數(shù)值 計算與圖形顯示的科學(xué)和工程計算軟件，基本單位為矩陣，其表達式與數(shù)學(xué)、工 程計算

13、中常用的形式類似4。并且矩陣的行和列無需定義，可隨時添加和修改， 有極強的可擴展性，主要包括主程序，SLMULINK和工具箱。MATLAB/SIMULINK 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件 包，它具有模塊化、可重載、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程及可視化等特點，可大大 提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。MATLAB的優(yōu)化工具箱中提供了一系列用于解 決無約束和有約束問題的優(yōu)化函數(shù)，可以方便地用來對普通非線性函數(shù)求解極大 或極小值。利用SIMULINK和優(yōu)化工具箱，用仿真與優(yōu)化有機結(jié)合以實現(xiàn)PID控制器參數(shù)的優(yōu)化1。在換熱器動態(tài)特性分析基礎(chǔ)上，設(shè)計簡便演示程序，這 樣可以方便的觀察在不同輸入量的

14、變化情況下，換熱器輸出量的仿真曲線；采用前饋-反饋控制系統(tǒng)仿真框圖如圖所示:采用反饋控制器和動態(tài)前饋控制器參數(shù)分別整定方法，反饋控制器采用PI形式。第四章設(shè)計小結(jié)本次設(shè)計是對載熱體前饋-反饋控制系統(tǒng)的仿真，通過對相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計、 分析及仿真， 來不斷地對控制系統(tǒng)參數(shù)進行整定和修改， 最終使系統(tǒng)達到穩(wěn) 定狀態(tài)。經(jīng)過這一周的 Matlab 課程設(shè)計， 讓我認(rèn)識到了 Matlab 在各個領(lǐng)域的重要性，同時也對 Matlab 這門學(xué)科有了更深入地了解。這次課程設(shè)計使自己學(xué)到了很多知識，更進一步地加深了自己對Matlab/Simulink 軟件的認(rèn)識與了解。除此之外，還學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到的

15、知識， 并且提高了自己查閱資料、 分析問題、解決問題的能力，也使自己對控制系統(tǒng)仿真的整體性有了一定的了解。通過這次 Matlab 課程設(shè)計，也讓我認(rèn)識到我們只學(xué)習(xí)理論知識是遠遠不夠的， 只有把理論知識與實踐相結(jié)合， 才能真正的運用于我們的現(xiàn)實生活中， 從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。 同時也發(fā)現(xiàn)了自己的不足， 自己對以前學(xué)過的知識理解得不夠深刻， 掌握得不夠牢固， 自己對很多東西的認(rèn)識不夠到位， 缺乏對所學(xué)知識進行綜合的能力， 對控制系統(tǒng)仿真整體設(shè)計及分析的條理不是很清晰。 所以， 在以后的學(xué)習(xí)中應(yīng)該更加努力， 在學(xué)習(xí)新知識的同時彌補自己的不足。 這次課程設(shè)計對自己今后的學(xué)習(xí)和實踐

16、起到了很大的作用， 也使自己有了很大的收獲！50-50出 輸-100-150 一-200 111'1111L01002003004005006007008009001000時間01002003004005006007008009001000參考文獻1 薛定宇 . 控制系統(tǒng)仿真與計算機輔助設(shè)計M . 北京： 機械工業(yè)出版社， 20052 劉金琨 . 先進 PID 控制及其 MATLAB 仿真 M . 北京：電子工業(yè)出版社，2003，3 薛定宇 . 控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計 MATLAB 語言及應(yīng)用 M. 北京： 清華大學(xué)出版社， 19964 易繼鍇 . 智能控制技術(shù)M. 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版