過程控制畢設(shè)答辯

（優(yōu)選）過程控制畢設(shè)答辯第一頁(yè)，共三十六頁(yè)。1.研究背景及意義2.換熱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

3.換熱器的反饋-前饋控制4.模糊自整定PID及仿真5.致謝第二頁(yè)，共三十六頁(yè)。1.研究背景及意義

換熱器是大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的傳熱設(shè)備，也是重要的節(jié)能設(shè)備。它在動(dòng)力、冶金、煉油、化工、電力、制冷、建筑、重型機(jī)械制造、航空、原子能、食品和醫(yī)藥等部門應(yīng)用廣泛，并占有十分重要的地位。換熱器作為一種利用能源與節(jié)約能源的重要設(shè)備。其作用表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器的效率，顯然可以減少能源的消耗；二是用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著地提高設(shè)備的熱效率。第三頁(yè)，共三十六頁(yè)。

如今對(duì)能源利用、開發(fā)、節(jié)約的要求不斷提高，因而不僅對(duì)換熱器性能的要求日益加強(qiáng)，而且對(duì)換熱器過程控制品質(zhì)要求也不斷增加。因此，控制好換熱器出口介質(zhì)的溫度具有極其重要的意義。第四頁(yè)，共三十六頁(yè)。2.換熱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

建立換熱器出口溫度的控制模型，能夠幫助分析換熱器出口溫度與進(jìn)出口流量和進(jìn)出口溫度等之間的關(guān)系。換熱器模型為控制系統(tǒng)的分析和制定方案做準(zhǔn)備。圖2-1換熱器的基本原理第五頁(yè)，共三十六頁(yè)。

換熱器的靜態(tài)特性分析對(duì)象的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是指在穩(wěn)定條件下對(duì)象的輸出變量與輸入變量之間的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于圖2-1中列管式換熱器，假定G1為冷流體的流量，G2為熱流體流量。T1i、T2i分別為冷流體和熱流體的入口溫度，T1o為冷流體的出口溫度和T2o為熱流體的出口溫度，而為冷流體的比熱容，熱流體的比熱容。根據(jù)換熱器兩側(cè)不發(fā)生相變，可得到熱量平衡方程式為：

(2-1)

傳熱速率方程式由傳熱定理可知，熱流體向冷流體的傳熱速率應(yīng)為:

(2-2)

第六頁(yè)，共三十六頁(yè)。式中:K—傳熱系數(shù)，kcal/(℃·m2·h)(1cal=4.18J)F—傳熱面積，m2△T—平均溫差，℃對(duì)于逆流、單程換熱器的對(duì)于對(duì)數(shù)平均值:(2-3)式中:在多數(shù)情況下，或在1/3～3之間時(shí)，可采用算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值，它的誤差在5%以內(nèi)。算術(shù)平均值為:第七頁(yè)，共三十六頁(yè)。

(2-4)

經(jīng)整理可得：

(2-5)

換熱器的靜態(tài)增益K(l)冷流體入口溫度T1i對(duì)出口溫度T1o的影響(2-6)

式(2-6)表明，與之間為線性關(guān)系，靜態(tài)增益K小于1的常數(shù)。第八頁(yè)，共三十六頁(yè)。(2)熱流體入口溫度T2i對(duì)出口溫度T1o的影響

熱流體流量G2對(duì)出口溫度的影響如下：1）隨著熱流體流量的增大，通道的靜態(tài)放大增益K的數(shù)值減小，即出口溫度增大；(2-7)式(2-9)表明,與之間也為線性關(guān)系。熱流體溫度升高出口溫度也升高。(3)熱流體流量G2對(duì)其出口溫度T1o的影響

(2-8)

第九頁(yè)，共三十六頁(yè)。2）當(dāng)G2C2較大時(shí)，曲線呈飽和特性，此時(shí)熱流體流量的變化對(duì)出口溫度影響很小。

(4)冷流體流量G1對(duì)熱流體出口溫度T1o的影響

其結(jié)果與式(2-8)相似，為一復(fù)雜的非線性關(guān)系。隨著冷流體的流量增大，通道增益的數(shù)值減小，及冷流體的流量增大時(shí)，當(dāng)供給熱量不變，則流體出口溫度會(huì)降低；通道特性曲線具有飽和非線性。換熱器的動(dòng)態(tài)特性

換熱器動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜，它的兩側(cè)流體充分均勻混合后可近似為集中參數(shù)，如不是則安分布式處理。分布式參數(shù)的變量是時(shí)間、空間的函數(shù)。它的變化規(guī)律要用偏微分方程來表示。

第十頁(yè)，共三十六頁(yè)。

建立分布參數(shù)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，是從熱量動(dòng)態(tài)平衡方程入手。但我們這時(shí)必須取一微元來分析問題，還要假設(shè)這一微元中各點(diǎn)溫度相同。

先分析流體1的熱量動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)流體1去一段微元，這一微元的熱量動(dòng)態(tài)平衡方程可敘述為:

(單位時(shí)間內(nèi)流體1帶入微元的熱量)+(單位時(shí)間內(nèi)流體2傳給流體1微元的熱量)-(單位時(shí)間內(nèi)流體1離開微元所帶走的熱量)=流體1微元內(nèi)蓄熱量的變化率，即:式中，=z/L，L為換熱器的總長(zhǎng)度;A—內(nèi)管的圓周長(zhǎng)；—微元的表面積;M1—流體1單位長(zhǎng)度的流體質(zhì)量;—微元的質(zhì)量。(2-9)第十一頁(yè)，共三十六頁(yè)。作適當(dāng)?shù)恼恚?

(2-10)

時(shí)間和空間的邊界條件表達(dá)式為:(2-11)

熱流體流量G2冷流體流量G1對(duì)冷流體出口溫度T1o的影響，即通道特性。如用傳遞函數(shù)來描述，可為:、(2-12)第十二頁(yè)，共三十六頁(yè)。

假設(shè)載熱體的被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性和干擾通道的傳遞函數(shù)分別為：G

(2-13)

(2-14)

第十三頁(yè)，共三十六頁(yè)。3.換熱器的反饋-前饋控制

反饋控制系統(tǒng)整定

由于采用的反饋控制器為PI形式。因此我們采用階躍響應(yīng)法來整定PI參數(shù)。用開環(huán)階躍響應(yīng)并在simulink中進(jìn)行仿真，仿真框圖如圖3-1所示。單位階躍響應(yīng)曲線如圖3-2.

圖3-1開環(huán)階躍響應(yīng)simulink框圖第十四頁(yè)，共三十六頁(yè)。圖3-2單位階躍響應(yīng)曲線Z-N階躍響應(yīng)法利用Z-N階躍響應(yīng)法求得

Kp=0.029,Ki=0.009。

第十五頁(yè)，共三十六頁(yè)。反饋控制的仿真圖3-3換熱器反饋控制simulink框圖在框圖中要設(shè)置PID參數(shù)，延遲時(shí)間，傳函等。在simulink設(shè)置PID參數(shù)，延遲時(shí)間，傳函等。第十六頁(yè)，共三十六頁(yè)。圖3-4反饋控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線第十七頁(yè)，共三十六頁(yè)。前饋控制

圖3-5靜態(tài)前饋系數(shù)Kd整定的仿真框圖第十八頁(yè)，共三十六頁(yè)。圖3-6閉環(huán)整定Kd的仿真框圖=

第十九頁(yè)，共三十六頁(yè)。圖3-7靜態(tài)前饋系數(shù)整定過程曲線分別取Kd=1.5、Kd=1、Kd=0、Kd=-2.5、Kd=-5通過圖3-7整定過程曲線及對(duì)選取的參數(shù)分析得Kd=-2.5時(shí)補(bǔ)償合適。雖然控制系統(tǒng)的干擾較強(qiáng)，但經(jīng)過靜態(tài)前饋的補(bǔ)償之后，所受影響延時(shí)降低，及時(shí)性提升，相比于反饋控制時(shí)的響應(yīng)已明顯得到改善。第二十頁(yè)，共三十六頁(yè)。圖3-8基于反饋整定的動(dòng)態(tài)前饋時(shí)間常數(shù)整定simuliink框圖第二十一頁(yè)，共三十六頁(yè)。圖3-9動(dòng)態(tài)前饋參數(shù)T1=T2=1時(shí)得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線第二十二頁(yè)，共三十六頁(yè)。圖3-10調(diào)節(jié)T1、T2過程得到的系統(tǒng)響應(yīng)曲線第二十三頁(yè)，共三十六頁(yè)。

圖3-10依次取T1=1，T2=15;T1=1，T2=10;T1=1，T2=7;T1=1，T2=6;T1=1，T2=5;T1=2，T2=1;T1=5，T2=1。通過逐步減小T2,增大T1來選取最優(yōu)參數(shù)。從圖中可知當(dāng)T1過大時(shí)前饋對(duì)系統(tǒng)過度補(bǔ)償，比T1=T2=1時(shí)的控制結(jié)果差。根據(jù)響應(yīng)曲線比較后取T1=1,T2=6。T1<T2采用動(dòng)態(tài)滯后補(bǔ)償作用，對(duì)系統(tǒng)的控制效果比較好。由圖3-12T1=1,T2=6時(shí)的仿真結(jié)果可以看出，雖然系統(tǒng)所受干擾較強(qiáng)，但通過反饋前饋的共同控制，系統(tǒng)的響應(yīng)能力增強(qiáng)，超調(diào)量得到改善，結(jié)果較為理想。第二十四頁(yè)，共三十六頁(yè)。反饋與反饋-前饋控制結(jié)果的比較圖3-11反饋與前饋-反饋比較simulink仿真框圖第二十五頁(yè)，共三十六頁(yè)。圖3-12反饋與前饋-反饋算法下的響應(yīng)曲線

第二十六頁(yè)，共三十六頁(yè)。從圖3-12可知在前饋-反饋中，超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間、震蕩等因素都有了大幅改善。前饋-反饋系統(tǒng)能夠很好的改善、消除干擾帶來的影響，消除遲滯而且能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。是系統(tǒng)的響應(yīng)更快，精確度更高。第二十七頁(yè)，共三十六頁(yè)。4.模糊自整定PID及仿真

參數(shù)自整定模糊-PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4-1參數(shù)自整定模糊-PID控制原理圖第二十八頁(yè)，共三十六頁(yè)。在Matlab里通過對(duì)模糊控制器的語(yǔ)言變量設(shè)置、定義輸入輸出的隸屬函數(shù)、模糊規(guī)則的設(shè)定、確定量化因子來設(shè)計(jì)模糊-PID.表4-1KP的模糊規(guī)則表表4-1KP的模糊規(guī)則表ECE

KpNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB第二十九頁(yè)，共三十六頁(yè)。表4-2Ki的模糊規(guī)則表ECE

Ki NBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBPMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB第三十頁(yè)，共三十六頁(yè)。圖4-2模糊自整定PID仿真框圖第三十一頁(yè)，共三十六頁(yè)。當(dāng)比例控制器的量化因子取0.1，積分控制器量化因子取0.05時(shí)效果不佳，經(jīng)比較設(shè)定后在量化因子分別為0.5和0.005時(shí)效果最佳。圖4-3模糊自整定PID與PID算法下的溫度曲線

第三十二頁(yè)，共三十六頁(yè)。圖4-4模糊自整PID加前饋與PID仿真框圖

第三十三頁(yè)，共三十六頁(yè)。圖4-5模糊自整PID加前饋與PID算法下的溫度曲線第三十四頁(yè)，共三十六頁(yè)。圖4-6模糊PID加前饋與PID與前饋算法下的溫度曲線

由圖4-6可知模糊PID加前饋的控制要優(yōu)于前饋-反饋的控制效果，但優(yōu)越性不明顯.

第三十五頁(yè)，共三十六頁(yè)。5.致謝

首先要感謝我的導(dǎo)師王軼卿老師。王老師平