控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計--載熱體前饋-反饋控制系統(tǒng)仿真

1、<p><b>　　本科生課程設(shè)計論文</b></p><p>　　題 目：基于SIMULINK的載熱體前饋-反饋控制系統(tǒng)仿真研究</p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　學(xué) 號： </b></p><p>　　專

2、 業(yè)：測控技術(shù)與儀器</p><p>　　班 級：測控3班</p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　2013年 12月9日</p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p><b>　　摘 要</b&

3、gt;</p><p>　　前饋控制系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)都屬于單回路控制系統(tǒng)，它們有各自的優(yōu)缺點。諸如前饋控制能根據(jù)干擾值的大小在被調(diào)參數(shù)偏離給定值之前進(jìn)行控制，使被調(diào)量始終保持在給定值上，但這種控制方式也存在局限，首先表現(xiàn)在前饋控制系統(tǒng)中不存在被調(diào)量的反饋，即對于補償?shù)慕Y(jié)果沒有檢驗手段。反饋控制是根據(jù)被調(diào)量與給定值的偏差值來控制的，反饋系統(tǒng)的特點是在干擾作用下，必須形成偏差才能進(jìn)行調(diào)節(jié)（或偏差即將形成），如果干擾

4、已經(jīng)發(fā)生，而被調(diào)參數(shù)還沒變化時，調(diào)節(jié)器是不會動作的，即反饋控制總是落后于干擾動作，因此稱之為不及時控制。</p><p>　　因此把它們結(jié)合起來就產(chǎn)生了前饋—反饋復(fù)合控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能把前饋與反饋的優(yōu)點結(jié)合起來，既能發(fā)揮前饋調(diào)節(jié)控制及時的優(yōu)點，又能保持反饋控制對各種擾動因素都有抑制作用的長處，較好地解決了控制過程中的問題，通過仿真可以得出這種系統(tǒng)既能獲得較好的穩(wěn)定性，又有較好的抗擾性能。</p>

5、<p>　　關(guān)鍵詞：計算機應(yīng)用軟件 換熱器 仿真分析 仿真建模 SIMULINK</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　目錄5</b></p><p><b>　　引言6</b></p><p><b>　　1

6、 概述7</b></p><p>　　1.1 SIMULINK7</p><p><b>　　1.2 換熱器8</b></p><p>　　1. 換熱器概述8</p><p>　　2.換熱器的特性9</p><p>　　1.3 前饋-反饋控制系統(tǒng)10</p>

7、<p><b>　　2 控制方案11</b></p><p>　　2.1　載熱體流量的控制方案11</p><p>　　2.2 控制系統(tǒng)仿真設(shè)計13</p><p>　　2.3 參數(shù)整定14</p><p>　　3　載熱體流量控制系統(tǒng)仿真實驗16</p><p>　　3.1

8、載熱體流量控制系統(tǒng)仿真框圖16</p><p>　　3.2載熱體流量控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線17</p><p><b>　　4 結(jié) 語18</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)19</b></p><p><b>　　引言</b></p><

9、p>　　生產(chǎn)過程中必須保證產(chǎn)品滿足一定的數(shù)量和質(zhì)量的要求，同時也要保證生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟，這就要求生產(chǎn)過程在預(yù)期的工況下進(jìn)行。但是，生產(chǎn)過程往往受到各種擾動而偏離正常工況，必須通過自動控制隨時消除各種干擾，保證正常運行。更為嚴(yán)重的是有時自動控制系統(tǒng)本身也要發(fā)生故障，這就要求在設(shè)計自動控制系統(tǒng)時，考慮各種可能發(fā)生的故障，并加以保護(hù)。因此，現(xiàn)代的自動控制系統(tǒng)往往包含自動保護(hù)、自動檢測、自動報警、順序控制等內(nèi)容。有時，它們有機的組合成一個

10、不可分割的整體，以確保控制系統(tǒng)的安全可靠。</p><p>　　以往人們對換熱器控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真， 大多采用Basic、 Fort ran、 C、C + + 等算法語言來編制仿真程序， 編程復(fù)雜， 而且受上述算法語言的繪圖功能的限制，要繪出仿真曲線就得調(diào)用相應(yīng)的軟件包來作進(jìn)一步的處理， 使得編制、調(diào)試程序更復(fù)雜。另外，過去建立仿真模型往往是以系統(tǒng)的狀態(tài)方程為基礎(chǔ)的， 在仿真前需要手工求出系統(tǒng)的狀態(tài)方程。而換熱器控

11、制系統(tǒng)是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)， 求取狀態(tài)方程有一定的難度， 若系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 則需要重寫狀態(tài)方程， 仿真程序的修改工作量很大， 仿真模型的利用率低。</p><p>　　本文采用MATLAB下的Simulink作為仿真平臺，對換熱器控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，采用各種模型對換熱器控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗。并將仿真實驗與現(xiàn)場試驗相比較，驗證仿真模型和算法的正確性，體現(xiàn)了模塊化建模在仿真計算中的優(yōu)勢。</p>&l

12、t;p><b>　　1 概述 </b></p><p>　　1.1 SIMULINK</p><p>　　SIMULINK是一種強有力的仿真工具，它能讓使用者在圖形方式下以最小的代價來模擬真實動態(tài)系統(tǒng)的運行。SIMULINK準(zhǔn)備有數(shù)百種福定義的系統(tǒng)環(huán)節(jié)模型、最先進(jìn)的有效積分算法和直觀的圖示化工具。依托SIMULINK強健的仿真能力，用戶在原型機制造之前就可建立

13、系統(tǒng)的模型，從而評估設(shè)計并修復(fù)瑕疵。SIMULINK具有如下的特點： </p><p>　　（1）建立動態(tài)的系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真。SIMULINK是一種圖形化的仿真工具，用于對動態(tài)系統(tǒng)建模和控制規(guī)律的研究制定。由于支持線性、非線性、連續(xù)、離散、多變量和混合式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，SIMULINK幾乎可分析任何一種類型的真實動態(tài)系統(tǒng)。 </p><p>　　（2）以直觀的方式建模。利用

14、SIMULINK可視化的建模方式，可迅速地建立動態(tài)系統(tǒng)的框圖模型。只需在SIMULINK元件庫中選出合適的模塊并施放到SIMULINK建模窗口，鼠標(biāo)點擊連續(xù)就可以了。SIMULINK標(biāo)準(zhǔn)庫擁有超過150中，可用于構(gòu)成各種不同種類的動態(tài)模型系統(tǒng)。模塊包括輸入信號源、動力學(xué)元件、代數(shù)函數(shù)和非線性函數(shù)、數(shù)據(jù)顯示模塊等。SIMULINK模塊可以被設(shè)定為觸發(fā)和使能的，用于模擬大模型系統(tǒng)中存在條件作用的子模型的行為。</p><

15、p>　?。?）增添定制模塊元件和用戶代碼。SIMULINK模塊庫是可制定的，能夠擴展以包容用戶自定義的系統(tǒng)環(huán)節(jié)模塊。用戶也可以修改已有模塊的圖標(biāo)，重新設(shè)定對話框，甚至換用其他形式的彈出菜單和復(fù)選框。SIMULINK允許用戶吧自己編寫的C、FORTRAN、Ada代碼直接植入SIMULINK模型中。 </p><p>　　（4）快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行設(shè)計模擬。SIMULINK優(yōu)秀的積分算法給非線性系統(tǒng)仿真帶

16、來了極高的精度。先進(jìn)的常微分方程求解器可用于求解剛性和非剛性的系統(tǒng)、具有時間觸發(fā)或不連續(xù)的系統(tǒng)和具有代數(shù)環(huán)的系統(tǒng)。SIMULINK的求解器能確保連續(xù)系統(tǒng)或離散系統(tǒng)的仿真速度、準(zhǔn)確地進(jìn)行。同時，SIMULINK還未用戶準(zhǔn)備一個圖形化的調(diào)試工具，以輔助用戶進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)。 </p><p>　?。?）分層次的表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)。SIMULINK的分級建模能力使得體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型構(gòu)建也簡便易行。根據(jù)需要，各種

17、模塊可以組織成若干子系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，整個系統(tǒng)可以按照自定向下或自底向上的方式搭建。子模型的層次數(shù)量完全取決于所構(gòu)建的系統(tǒng)，不受軟件本身的限制。為方便大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的操</p><p>　　作，SIMULINK還提供了模型結(jié)構(gòu)瀏覽的功能。 </p><p>　　（6）交互式的仿真分析。SIMULINK的示波器可以動畫和圖像顯示數(shù)據(jù)，運行中可調(diào)整模型參數(shù)進(jìn)行What-if分析，能

18、夠在仿真運算進(jìn)行時監(jiān)視仿真結(jié)果。這種交互式的特征可以幫助用戶快速的評估不同的算法，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。 </p><p>　　由于SIMULINK完全集成于MATLAB，在SIMULINK下計算的結(jié)果可以保存到MATLAB工作空間之中，因而就能使用MATLAB所具有的眾多分析、可視化及工具箱工具操作數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　1.2 換熱器</b><

19、/p><p><b>　　1. 換熱器概述</b></p><p>　　換熱器（熱交換器）是一股或幾股流體（輔助流體）加熱或冷卻另一股或幾股流體（目標(biāo)流體），使目標(biāo)流體出口溫度達(dá)到工藝要求的熱交換設(shè)備，特別是被加熱介質(zhì)是水的換熱器，在供熱系統(tǒng)中得到廣泛使用。熱水換熱器按參與換熱器的介質(zhì)分類，分為汽-水換熱器和水-水換熱器；按換熱器的換熱方式分類，分為表面式換熱器和混合式換

20、熱器。表面式換熱器是冷熱兩種流體被金屬壁面割開，而通過金屬壁面高溫介質(zhì)將熱量傳給低溫介質(zhì)。混合式換熱器是冷熱兩種流體直接接觸進(jìn)行混合而實現(xiàn)換熱的換熱器。</p><p>　　目前常用的幾種換熱器有：容積式換熱器、殼管式換熱器、板式換熱器、等離子體改性強化換熱器等。</p><p>　　容積式換熱器既是換熱器又是貯熱水罐，在未加熱前在罐體存有大量冷水，熱效率低，換熱時間長，浪費能源，多用于生

21、活熱水和用水不均勻的工業(yè)用熱水系統(tǒng)，主要為罐體及加熱排管兩部分組成。</p><p>　　殼管式換熱器是應(yīng)用最廣泛的傳統(tǒng)換熱器，其最基本的構(gòu)造是在圓形殼體內(nèi)加許多熱交換用的小管，當(dāng)加熱的熱媒為蒸汽時為殼管汽-水換熱器，加熱的熱媒為高溫水時稱為殼管水-水換熱器，水-水換熱器由于熱交換水管內(nèi)外都是水，由于小管兩側(cè)水的流速比較接近，圓形外殼直徑不能太大，當(dāng)加熱面積不能太大，當(dāng)加熱面積要求較大時，常常將幾段連接起來，故又

22、稱為分段式水-水熱交換器，常用于熱水采暖系統(tǒng)。</p><p>　　板式換熱器是發(fā)展中的新型高效換熱設(shè)備之一。結(jié)構(gòu)上采用特殊的波紋金屬板為換熱板片，使換熱液體在板間流動時，能夠不斷改變流動方向和速度，形成激烈的湍流，以達(dá)到強化傳熱的效果，且傳熱板片采用厚度為1.2mm左右的薄板，這就大大提高了其傳熱能力。</p><p>　　等離子體改性強化換熱器，其構(gòu)造基本上同殼管式換熱器，蒸汽在殼程，

23、被加熱水在管程，是一種新型高效強化汽水換熱器。它比一般換熱器具有以下特點：</p><p>　　（1）換熱效率高，是同體積其他換熱器換熱量的2倍以上。</p><p>　　（2）設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積和占用空間小，安裝使用方便。</p><p>　　（3）由于換熱管經(jīng)過等離子體改性處理，換熱管表面不易結(jié)垢，換熱效率穩(wěn)定。</p><p>　　

24、（4）金屬耗量低，比普通產(chǎn)品節(jié)約三分之一以上。</p><p><b>　　2.換熱器的特性</b></p><p>　　圖1.1所示為換熱器的換熱原理，其中G1、G2分別為工藝介質(zhì)及載熱體的流量；T1i、T2i分別為工藝介質(zhì)及載熱體的入口溫度；T1o、T2o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。</p><p

25、>　　圖1.1 換熱器換熱原理</p><p>　　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</p><p>　　G2c2(T2i-T2o)=G1c1(T1o-T1i)</p><p>　　換熱器的傳熱速率為 q=KF T</p><p>　　式中 K——傳熱系數(shù)，單位是kcal/(℃*㎡*h);</p>&l

26、t;p>　　F——傳熱面積，單位是㎡；</p><p>　　T——平均溫度差，單位是℃。</p><p>　　對于單程、逆流換熱器的 T對數(shù)平均值為</p><p>　?。═2i-T1o）-(T2o-T1i)</p><p>　　T= ㏑ T2i-T1i</p><p><b>　　T2o-T

27、1i</b></p><p>　　在多數(shù)情況下，當(dāng)（1/3）<(T2i-T1o)/(T2o-T1i)<=3時，可采用算術(shù)平均值，其誤差小于5%，即 T=(T2i-T1o)-(T2o-T1i)，</p><p>　　2 1 </p><p>　　整理可得換熱器的靜態(tài)特性方程為T1o-T1

28、i= G1c1 + 1 1+ G1c1 </p><p>　　T2i-T1i KF 2 G2c2</p><p>　　T2i-T1i </p><p>　　流體出口溫度為T1o= G1c1 + 1 1+ G1c1 + T1i</p><p>　　KF 2

29、 G2c2</p><p>　　1.3 前饋-反饋控制系統(tǒng)</p><p>　　工程實際中，為克服單純前饋控制的局限性，獲得良好的控制品質(zhì)，產(chǎn)生了前饋-反饋控制系統(tǒng)，即在反饋控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上附加一個或幾個主要擾動的前饋控制，又稱復(fù)合控制系統(tǒng)。這樣，依靠反饋控制來使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時能準(zhǔn)確的使被調(diào)量等于給定值，而在動態(tài)過程中則利用前饋控制有效地減少被調(diào)量的動態(tài)偏差（對于主要是由于擾動引起的）。其

30、原理框圖如圖1.2所示，</p><p>　　圖1.2 前饋-反饋控制系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　N-擾動（在此例中為料液流量D）；Y-被調(diào)量（在此例中為料液溫度 ）； Gd(s)前饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)； G1(s)-控制通道對象的傳遞函數(shù)； Gf(s)-擾動通道對象的傳遞函數(shù)； Gc(s) -反饋調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；</p&

31、gt;<p><b>　　2 控制方案</b></p><p>　　根據(jù)上述分析，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有前一道工序確定，因此可測量但不可控的。為此，換熱器控制的操縱變量可選擇為載熱體的流量或工藝介質(zhì)的旁路控制。</p><p>　　2.1　

32、載熱體流量的控制方案</p><p>　　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，可以采用工藝介質(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)，如圖2.1所示，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。</p><p>　　圖2.1 控制載熱體單回路控制系統(tǒng)</p>

33、<p>　　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（如工藝介質(zhì)流量波動）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)，如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 控制載熱體前饋—反饋控制系統(tǒng)</p><p>　　若載熱體壓力波動較大，也可將它作為副被控變量，組成如圖2.3所示的串級控制系統(tǒng)。</p><p>

34、;　　圖2.3 控制載熱體串級控制系統(tǒng)</p><p>　　載熱體前饋—反饋控制和串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。</p><p>　　圖2.4 載熱體前饋—反饋和串級控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　a)前饋—反饋控制系統(tǒng) b)串級控制系統(tǒng)</p><p>　　2.2 控制系統(tǒng)仿真設(shè)計</p><p>　　假設(shè)載

35、熱體的被控對象動態(tài)特性為G1（s）=8/(20s+1)，G2（s)=2/(16s+1)，干擾通道的傳遞函數(shù)為Gf(s)=18/[(9s+1)(18s+1)]，系統(tǒng)采用前饋—反饋控制系</p><p>　　統(tǒng)的仿真框圖如圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5前饋—反饋控制系統(tǒng)仿真框圖</p><p><b>　　2.3 參數(shù)整定</b>&l

36、t;/p><p>　　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，其參數(shù)Kp=0.01、T1=900，仿真出對應(yīng)的的階躍響應(yīng)曲線并加以分析。</p><p>　　前饋控制器靜態(tài)放大系數(shù)的整定：仿真框圖如圖2.6所示，依次取Kd=0、Kd=2、Kd=-2、Kd=3、Kd=1.9、Kd=2.1時的系統(tǒng)對仿真框圖的擾動仿真出相應(yīng)的擾動輸出曲線，由圖可以分析得選擇Kd=2.

37、1較為合適。</p><p>　　圖2.6 前饋控制器靜態(tài)放大系數(shù)整定的仿真框圖</p><p>　　時間常數(shù)Td1、Td2的整定：仿真框圖如圖2.7所示。采用靜態(tài)前饋系數(shù)Kd=2.1的仿真框圖進(jìn)行仿真，給定輸入為零，分別取Td1=1，Td2=1；Td1=10，Td2=1；Td1=1，Td2=10；Td1=1，Td2=20；Td1=1，Td2=15；Td1=1，Td2=8；Td1=1，Td

38、2=14；Td1=1，Td2=13.5時仿真出在單位擾動作用下的響應(yīng)曲線，經(jīng)過分析各種參數(shù)曲線，選取Td1=1、Td2=13.5較為合適。</p><p>　　圖2.7時間常數(shù)整定的仿真框圖</p><p>　　綜合上述，各種參數(shù)選取Kd=2.1，Td1=1，Td2=13.5。</p><p>　　3　載熱體流量控制系統(tǒng)仿真實驗</p><p&g

39、t;　　選取Kd=2.1，Td1=1，Td2=13.5對系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗，系統(tǒng)在給定信號為10，擾動信號為3，被控對象加幅值為1的隨機干擾下的仿真框圖如圖3.1所示，對其進(jìn)行仿真，得到圖3.2所示的響應(yīng)曲線，依次為隨機擾動、可測干擾信號、給定信號和輸出信號的響應(yīng)曲線。</p><p>　　3.1 載熱體流量控制系統(tǒng)仿真框圖</p><p>　　圖3.1 載熱體前饋—反饋控制系統(tǒng)的仿真框圖&

40、lt;/p><p>　　3.2載熱體流量控制系統(tǒng)仿真響應(yīng)曲線</p><p>　　圖3.2 載熱體前饋—反饋控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線</p><p><b>　　4 結(jié) 語</b></p><p>　　仿真結(jié)果表明，SIMULINK 仿真軟件具有可視化建模和圖形輸出的能力，用它進(jìn)行仿真， 可以大大減小編程量， 而且仿真結(jié)果與現(xiàn)場試

41、驗所得結(jié)論基本吻合，因此非常適合載熱體流量控制系統(tǒng)的仿真研究，并對換熱器載熱體流量控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。</p><p>　　采用SIMULINK技術(shù)可快速建立換熱器載熱體控制系統(tǒng)仿真模型，并對每一子系統(tǒng)建立詳細(xì)和簡化的仿真模型，形成子系統(tǒng)模塊庫。本文重點建立了載熱體前饋—反饋控制系統(tǒng)仿真模型，形成了PID模塊庫。仿真計算中應(yīng)兼顧準(zhǔn)確性及快速性，選擇適當(dāng)?shù)姆抡婺Ｐ?，并根?jù)具體實踐開發(fā)出新的仿真模

42、型，不斷豐富子系統(tǒng)模塊庫。因而，基于SIMULINK的載熱體流量控制系統(tǒng)仿真模型具有很強的開放性和可移植性，可以形成直觀的仿真模型，模型搭建高效、快捷，對換熱器的設(shè)計、優(yōu)化控制及工況的預(yù)測具有重要意義。但是，換熱器載熱體控制系統(tǒng)在建立數(shù)學(xué)模型的過程中，不可避免地忽略了一些次要因素和對模型進(jìn)行了簡化；SIMULINK模塊庫中的有些模塊算法精度不高，不能滿足專業(yè)需求。因而，基于SIMULINK的載熱體動態(tài)仿真實驗結(jié)果與換熱器載熱體實際動態(tài)試

43、驗結(jié)果可能會存在誤差，應(yīng)充分發(fā)揮SIMULINK技術(shù)的優(yōu)勢，根據(jù)換熱器的具體特性，開發(fā)出適合換熱器仿真的專業(yè)模塊，兼顧仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和快速性，根據(jù)不同需求調(diào)用不同模塊，使得仿真更準(zhǔn)確地反映換熱器的實際過程，為實際工作提供定性分析及決策支持。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 《過程控制系統(tǒng)的MATALAB仿真》，劉文定，機械工

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