毕业设计（论文）-前馈控制系统设计.doc

装订线前馈控制系统设计摘 要本文主要研究前馈控制系统在实际生活中的应用，而前馈控制系统为前馈控制的一种形式，是控制部分发出指令使受控部分进行某种活动，同时又通过另一快捷途径向受控部分发出前馈信号，受控部分在接受控制部分的指令进行活动时，又及时地受到前馈信号的调控，因此活动可以更加准确。前馈控制系统是控制系统中重要的基本控制系统，它也是我们日常生活中普遍见到的控制系统，在工业控制中起着至关重要的作用。本文设计思想是先介绍了前馈控制系统的基本概念和结构框架，再将前馈控制系统与我们之前学过的反馈控制系统进行对比，比较二者之间的优缺点，查阅相关资料了解工业中是怎么运用前馈控制系统的，结合自己所学的知识对系统进行剖析，进一步掌握工业中的设计思想。再将工业框图转化为结构框图，对其进行数学建模，分析收集到的有关数据建立合适的数学模型。对建立的模型进行仿真，首先仿真未加前馈控制之前系统的仿真，因为所得波形图不稳定，所以需要进行校正，校正后仿真得到校正后的系统仿真图，再加入前馈控制系统进行仿真，得到相应的仿真结果，对上述三幅仿真图进行比较，分析前馈控制系统在控制中所起的作用。本文主要分四章对本课题进行了研究。第一章是引言，介绍了课题研究的意义、目的、国内外的研究现状和本文的主要的工作。第二章介绍前馈控制系统，主要讲前馈控制的基本概念和结构框图，前馈控制与反馈控制之间的对比，前馈控制的优缺点。第三章介绍变风量空调和MATLAB仿真概述，主要讲变风量空调的基本原理和送风温度控制系统，还有MATLAB和Simulink的基本概念和语言特点。第四章介绍系统仿真，对加前馈控制前后系统仿真所得的仿真图进行对比，分析前馈控制在系统中的作用。之后是对毕业设计的总结。关键词:前馈控制，MATLAB，送风温度控制系统，仿真ABSTRACTThis paper mainly study the application of feedforward control system in real life, the feedforward control system as a form of feedforward control, is to control the part issue instructions to make a controlled part of some sort of an action, at the same time through another quick way to control part of the feedforward signal, controlled in control part of instruction in activity, and in a timely manner by the feedforward signal regulation, therefore activities can be more accurate.Feedforward control system is important in control system of the basic control system, it is also common in our daily life to see the control system, plays an important role in industrial control.Design idea is first introduced in this paper the basic concept and structure of the feedforward control system framework, before the feedforward control system and we studied comparing the feedback control system, compare the advantages and disadvantages between them, consult the relevant information to understand industry is how to use of feedforward control system, combined with their learned knowledge on the system are analyzed, further master of industrial design.Then industrial block diagram into structure diagram, mathematical modeling, the paper analyzed the data collected to establish an appropriate mathematical model.Simulation for the model, first, the simulation system of simulation before no feedforward control, think the waveform figure is not stable, so the need for correction, the correction after simulation after correction of system simulation diagram, then add feedforward control system, simulation of the simulation results, the above three simulation image comparison, analysis of feedforward control system in the role of control.Four chapters in this paper, the main points were studied in this project.The first chapter is introduction, introduces the research significance, purpose, research status at home and abroad and the main work of this article.Second chapter feedforward control system, mainly about the basic concept and structure diagram of feedforward control, the contrast between the feedforward control and feedback control, feedforward control of the advantages and disadvantages.Third chapter vav and MATLAB simulation overview, mainly about the basic principle of variable air volume air conditioning and air supply temperature control system, as well as the basic concept of MATLAB and Simulink and language features.Fourth chapter system simulation, the feedforward control system simulation of the simulation diagram of before and after comparison, analyzes the role of feedforward control in the system.Following is a summary of graduation design.KEY WORDS: feedforward control, MATLAB, The supply air temperature control system, the simulation.III目 录第一章 绪论21.1本课题研究的目的和意义21.2本课题国内外的研究情况31.3本课题研究内容和方法5第二章 前馈控制系统62.1过程控制系统的概述62.2前馈控制系统的基本原理及结构62.3前馈控制系统与其他控制系统的比较72.3.1前馈控制系统与反馈控制系统的比较72.3.2前馈控制系统与比值控制系统的比较82.3.3前馈控制系统与串联控制系统的比较92.4前馈控制系统的优缺点10第三章 变风量空调系统概述和Matlab仿真概述123.1变风量空调123.1.1变风量空调系统的简介123.1.2传统送风温度控制133.1.3基于前馈补偿的送风温度控制133.2 MATLAB仿真概述143.2.1 MATLAB概述143.2.2 Matlab语言的特点153.2.3 Simulink概述153.2.4 Simulink特点16第四章 送风温度控制系统仿真184.1送风温度控制系统结构框图184.2加前馈控制前系统仿真204.2.1系统校正前仿真204.2.2系统校正后仿真224.3加前馈控制后系统仿真24结 论28致 谢29参考文献30第一章 绪论1.1本课题研究的目的和意义前馈控制其实并不是一种新的控制方法,古老的按扰动进行调节的开环系统就是一种前馈控制。虽然它有不少优点,但过去由于自动化技术工具的落后,使得它在工业生产上的应用受到一定的限制。随着反馈控制技术的迅速发展,前馈控制便渐渐退居次要地位。近来,由于电子技术、尤其是电子计算机在工业生产上的大规模应用,为前馈控制的实际应用提供了越来越大的可能性。于是,前馈控制以其独特的优点,重新得到了应有的重视与研究。前馈控制系统为前馈控制的一种形式，是控制部分发出指令使受控部分进行某种活动，同时又通过另一快捷途径向受控部分发出前馈信号，受控部分在接受控制部分的指令进行活动时，又及时地受到前馈信号的调控，因此活动可以更加准确。在工业生产过程中，最常见的被控过程是各类热交换器、塔器、反应器、加热炉、锅炉、窑炉、储液槽、泵、压缩机等。每个过程都各有其自身固有特性，而过程特性的差异对整个系统的运行控制有着重大影响。有的生产过程较易操作，工艺变量能够控制的比较平稳；有的生产过程很难操作，工艺变量容易产生大幅度的波动，只要稍不谨慎就会跃出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。只有充分了解和熟悉生产过程才能得心应手的操作，使工艺生产在最佳状态下进行。在自动控制系统中，若想采用过程控制装置来模拟操作人员的劳动，就必须充分了解过程的特性，掌握其内在规律，确定合适的被控变量和操作变量。在此基础上才能选用合适的检测和控制仪表，选择合理的控制参数，设计合乎工艺要求的控制系统。特别在设计新型的控制方案时，例如前馈控制、解耦控制、时滞补偿控制、预测控制、软测量技术及推断控制、自适应控制、计算机最优控制等，多数都要涉及到过程的数学模型，更需要考虑过程特性。前馈控制有很多优点，所以前馈控制在工业生产中起着重要的作用，尤其是在家电、石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。而本课题就是结合中央空调中的送风温度控制环节来学习前馈控制系统。下面来介绍一下中央空调在生活中的重要性。能源的可持续利用和环境健康问题是楼宇自控系统发展的主要推动力，在一些国家，楼宇自控系统还被称为EMCS能源管理和控制系统，阐明了它最重要的功能，即控制楼宇的能源消耗和对楼宇设备进行高效管理。如今节能建筑已成为城市文明和可持续发展的象征。当前，一方面是对煤电油等重要资源的需求量明显增加；另一方面能源资源短缺，不能满足当前社会发展需求。单从建筑角度来看，由于空调系统历来是建筑能耗的大户，所以为了降低能耗，那么比较有效的办法就是优化空调的控制策略，提高空调设备的效率。变风量空调系统正是基于这些原因诞生的。国内对变风量空调系统的研究与应用起步较晚，前期由于缺乏相关的设计和控制经验，所以造成了部分的变风量空调系统不能正常运行，只好再改为定风量空调系统，浪费了大量的投资。但随着技术的发展以及相关的技术人员越来越多，再加上能源价格的上涨，使得越来越多的业主要求设计变风量空调系统。同时也希望变风量空调系统能够最大限度的节省能耗，给业主带来经济效益，这就给空调的控制工程师带来了一系列的挑战。综上，对变风量空调系统进行研究，使其更加有效的节约能源，满足当前社会发展的需要具有重大的经济意义和学术价值。32共 29 页 第 页随着我国科学技术的快速发展和人们生活水平的日益提高，中央空调已经在现代智能建筑中得到了广泛的应用。特别是在大型公共建筑中，中央空调的应用已是现代智能建筑技术的重要衡量标准之一，是现代智能建筑创造高舒适性、高效率的工作和生活环境中所必需的建筑设备。但中央空调又是建筑物中消耗能源最多的设备之一，它在给人们带来舒适的工作和生活环境的同时，其建筑能耗也在快速的增长，极大的增加了建筑物的能源压力，从而导致了建筑能源的供需危机。 现代智能建筑已离不开能源，中央空调已是建筑物的耗能大户，其能耗约占整个建筑能耗的 40%60%，而且能耗还在不断增加中，给现代城市的供配电行业带来了沉重的负担，已成为人们必须关注的问题之一。高舒适性的中央空调一般使用时间集中、季节性负荷大，这点更加剧了我国用电负荷峰谷差之间的矛盾，每年夏季中央空调用电负荷高峰期，城市中央空调用电负荷约占城市总用电负荷的 30%40%，南方地区用电负荷高达 50%以上。 降低建筑能耗水平，是实现我国城市建设的可持续发展必须解决的重大关键性问题，也是中国能源战略的重要组成部分，这些都与国家经济发展和社会发展有着密切的关系。为了能达到降低建筑能耗水平的目的，采用智能控制技术和高度自动化的设备系统来提高中央空调的能源利用率，已经成为建筑节能的重要途径，这将对我国现代智能建筑实现低能耗、高舒适度，最大限度节约能源，减少能源浪费，发展绿色建筑，推进节能减排有着重要的战略意义。1.2本课题国内外的研究情况随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。下面为过程控制的系统结构框图如图1-1所示： 图1-1过程控制系统结构在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30年代就已有应用，过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。变风量空调系统的思想在本世纪60年代诞生于美国，但其出现后并没有得到迅速推广，当时美国占主导地位的仍是定风量空调系统加末端再热和双风道系统。西方70年代爆发的石油危机促使变风量空调系统在美国得到广泛的应用，并在其后20年内不断发展，现已成为美国空调系统的主流。变风量空调系统在其它国家也得到了应用，90年代后，欧、美、日大约有80高层建筑的空调系统采用了变风量空调系统。我国在上世纪70年代即有人研究变风量空调系统的开发和应用，并在地下厂房、纺织厂、体育馆等建筑中采用过变风量空调系统。在80年代，曾经引进过国外的变风量空调系统，但由于对系统性能不够了解，致使系统不能按设计要求运行，有些工程两三年后使用者又取消了变风量空调系统的运行方式，相应的自控设备也拆除了。这使得变风量空调系统的优点没有发挥出来，变风量空调系统附加的投资即成了泡影。一时间对变风量空调系统的应用和研究也停顿了下来。而近年来，工程师们又把目光转向了变风量空调系统。这其中有两大原因：一是国内目前的定风量空调系统和风机盘管系统暴露了一些缺点。由于我国目前的舒适性空调大部分都是设有末端再热的定风量空调系统，所以一个送风参数不能适应不同房间的要求。风机盘管系统可以避免这个问题，但是吊顶的凝水污染以及霉变问题同样不能让人容忍。而且有时房间在使用功能和格局上的改变，要求空调系统也做相应的改动，可是定风量空调系统和风机盘管系统的改建比较复杂；二是受变风量空调系统节能的诱惑，因此业主也希望采用变风量空调系统以节约运行成本。现阶段在国内变风量空调系统的使用还是没有发达国家那样普遍，大部分仅在屋顶旋转餐厅部分或公共部分局部使用变风量空调系统。至于大面积、整栋大厦采用变风量空调系统的工程还比较少，且仅限于少数高级办公建筑。在国内智能建筑的高速发展中，急需全面深刻地分析变风量空调系统的发展趋势和技术关键，总结工程实例，促进这一技术的平稳发展。中央空调水系统的能耗主要决定于空调设备的容量及系统运行控制技术，我国由于缺乏先进的控制技术和设备，中央空调系统大多数仍然采用传统的人工管理方式和简单的开关控制设备，不能实现空调冷冻水流量跟随末端负荷的变化而动态调节，在部分负荷运行时造成能源浪费很大，使我国建筑用能效率底下，单位建筑面积能耗比同等气候条件的发达国家高出 23 倍。 随着智能建筑楼宇自动化系统和变频调速技术的应用和发展，在中央空调系统中，工程人员已开始采用楼宇自动化系统或变频器对空调系统设备进行控制。变流量系统水系统由此应运而生，我国的变流量技术起步较晚，由最初的定流量系统发展至今，空调水系统目前有定流量一次泵冷冻水系统、定流量二次泵冷冻水系统、变流量一次泵冷冻水系统、变流量二次泵冷冻水系统等方式，由于定流量系统在使用过程中出现了冷水温差过小、系统阻力损失过大，即“大流量、小温差”的现象，针对此现象国内外学者开始对变流量控制技术的研究。 从变流量控制技术着手，有压差控制、温差控制、阀门开度控制、最小阻力控制、变压差控制、总流量控制、基于前馈补偿的变流量控制等。国内学者李苏泷分析了单级泵变流量系统的压差控制和温差控制，并指出温差控制大多适用于空调末端不用调节阀且空调房间特性要求较低的场合，否则应优先考虑压差控制，且认为温差控制的节能效果要由于压差控制；Jin等认为由于压差控制比温差控制的系统响应要快，若在水泵频率要求的变化范围内，应优先选用压差控制。1.3本课题研究内容和方法本课题的重点是前馈控制系统的设计，而前馈控制系统属于过程控制控制中重要的一部分，所以首先要了解过程控制控制系统和查找一些有关前馈控制的实例，以便更好地了解前馈控制系统。找到合适的用到前馈控制的实例系统，研究其控制原理及过程，将实例流程图转化为物理框图，是要研究的系统简化到最简。再统计实例系统运作时的各种参数，分析参数之间的变化选择合适的建模系统。将建成的模型在没有反馈控制的时候进行仿真，得到一组未控制前的仿真图，因为控制过程经常会有系统不稳定的情况，所以要对系统进行校正进行仿真得到另一组仿真图，再将前馈控制加在所建的模型中，进行仿真后得到一组控制后的仿真图及参数，分析不同阶段所得仿真图的差异，分析前馈控制在其中所起的作用。具体实现方法为：1、查找有关前馈控制的相关资料，掌握前馈控制系统的原理和了解用到前馈系统的实例。2、比较前馈控制系统、反馈控制系统、前馈-反馈控制系统的优缺点。3、了解数学建模的方法，将实例系统进行建模变化为控制框图，并分析实例参数找到合适的建模模型。4、在未加入前馈控制时用Matlab编程得到仿真图，分析仿真图和参数对系统进行校正得到传递函数，再用Matlab编程仿真出校正后的仿真图。5、将前馈控制加入系统中，用Simulink和Matlab结合对系统进行仿真得到仿真图后，对三次仿真所得的仿真图和参数进行比较，分析校正前后的区别及前馈控制在该实例中所起的作用。第二章 前馈控制系统2.1过程控制系统的概述以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算计控制系统。80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。在工业生产过程中，最常见的被控过程是各类热交换器、塔器、反应器、加热炉、锅炉、窑炉、储液槽、泵、压缩机等。每个过程都各有其自身固有特性，而过程特性的差异对整个系统的运行控制有着重大影响。有的生产过程较易操作，工艺变量能够控制的比较平稳；有的生产过程很难操作，工艺变量容易产生大幅度的波动，只要稍不谨慎就会跃出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。只有充分了解和熟悉生产过程才能得心应手的操作，使工艺生产在最佳状态下进行。在自动控制系统中，若想采用过程控制装置来模拟操作人员的劳动，就必须充分了解过程的特性，掌握其内在规律，确定合适的被控变量和操作变量。在此基础上才能选用合适的检测和控制仪表，选择合理的控制参数，设计合乎工艺要求的控制系统。特别在设计新型的控制方案时，例如前馈控制、解耦控制、时滞补偿控制、预测控制、软测量技术及推断控制、自适应控制、计算机最优控制等，多数都要涉及到过程的数学模型，更需要考虑过程特性。前馈控制系统在实际应用中运用的非常广泛，但是实际控制系统中单方面只用前馈控制系统的实例比较少，一般都是前馈控制系统与反馈控制系统相结合使用，下面我们将在前馈控制系统与反馈控制系统的对比中学习前馈控制系统。前馈控制思想及应用由来已久，但主要是由于技术条件的限制，发展较慢。随着计算机和现代检测技术的飞速发展，前馈控制正受到更多的重视和应用。2.2前馈控制系统的基本原理及结构前馈控制的原理：前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。因此，前馈调节对干扰的客服比反馈调节及时。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果前馈支路出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在反馈支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。而不需要经过调节器。前馈控制系统是将扰动信号经前馈控制器处理后用以消除扰动对被调量的影响，它是按扰动进行的补偿控制。不变原理是实现前馈控制的理论基础。“不变性”是指控制系统的被调量不受扰动作用的影响，与扰动完全无关，或在一定准确度下无关。前馈控制系统框图如图2-1所示。图中Gf(s)是扰动通道的传递函数，Gm(s)是前馈校正器的传递函数，由图可知C(s)=Gf(s)F(s)+Gm(s)Go(s)F(s)。根据不变原理，应有C(s)/F(s)=0,得前馈校正器的模型为Gm(s)=-Gf(s)/Do(s)。Gm(s)Go(s)Gf(s)F(s)C(s)图2-1前馈控制系统框图2.3前馈控制系统与其他控制系统的比较2.3.1前馈控制系统与反馈控制系统的比较反馈控制的方法是测量被调参数,将测量出来的值与给定值加以比较,得出偏差值,再利用此差值去操纵调节手段,以消除这个偏差。前馈控制的方法则是测量对象的扰动,当被测出的扰动进入过程的时候,它已提前操纵调节手段,在扰动尚未影响到被调参数时就进行补偿,以使被调参数保持在给定值。通常认为，前馈控制有如下几个特点：（l）是“开环”控制系统；（2）对所测干扰反应快，控制及时；（3）采用专用调节器；（4）只能克服系统中所能测量的干扰。下面从几个方面比较前馈控制与反馈控制。画出下面两个控制系统的方块图如图2-2所示：图2-2两种加热炉温度控制系统方块图l前馈是“开环”，反馈是“闭环”控制系统 从上图可以看到，表面上，两种控制系统都形成了环路，但反馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，可以回到出发点形成闭合环路，成为“闭环”控制系统。而在前馈控制系统中，在环路上的任一点，沿信号线方向前行，不能回到出发点，不能形成闭合环路，因此称其为“开环”控制系统。2前馈系统中测量干扰量，反馈系统中测量被控变量在单纯的前馈控制系统中，不测量被控变量，而单纯的反馈控制系统中不测量干扰量。3前馈需要专用调节器，反馈一般只要通用调节器 由于前馈控制的精确性和及时性取决于干扰通道和调节通道的特性，且要求较高，因此，通常每一种前馈控制都采用特殊的专用调节器，而反馈基本上不管干扰通道的特性，且允许被控变量有波动，因此，可采用通用调节器。4前馈只能克服所测量的干扰，反馈则可克服所有干扰 前馈控制系统中若干扰量都不可测量，前馈就不可能加以克服。而反馈控制系统中，任何干扰，只要它影响到被控变量，都能在一定程度上加以克服。5前馈理论上可以无差，反馈必定有差如果系统的干扰数量很少，前馈控制可以逐个测量干扰，加以克服，理论上可以做到被控变量无差。而反馈控制系统，无论干扰的多与少、大与小，只有当干扰影响到被控变量，产生“差”之后，才能知道有了干扰，然后加以克服，因此必定有差。2.3.2前馈控制系统与比值控制系统的比较 根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。 比值控制系统分为：开环比值控制系统；单闭环比值控制系统；双闭环比值控制系统；变比值控制系统等。下面就以单闭环比值控制系统为例介绍比值控制系统的基本原理及结构。单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。工艺流程图及原理框图如图2-3所示：图2-3比值控制系统原理框图单闭环比值控制系统的四种工作情况： （1）当在系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。 （2）当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料流量使之恢复到原设定值，保证主、副物料流量比值一定。 （3）当主物料流量受到扰动变化，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成比例变化，即改变给定值，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。 （4）当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的同时，系统又根据主物料流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。 总之, 单闭环比值控制系统虽然能保持主、副物料流量比值不变，但是无法控制主物料的流量不变，因此，对生产过程的生产能力没有进行控制。该控制系统能保证主、副物料的流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。2.3.3前馈控制系统与串联控制系统的比较串级控制系统-两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统1. 基本概念即组成结构串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。2. 串级控制系统的工作过程当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：* 扰动作用于副回路；* 扰动作用于主过程；* 扰动同时作用于副回路和主过程。分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。3. 串联控制系统特点及分析* 改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量；* 能迅速克服进入副回路的二次扰动；* 提高了系统的工作频率；* 对负荷变化的适应性较强。2. 串联控制系统工程应用场合* 应用于容量滞后较大的过程；* 应用于纯时延较大的过程；* 应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程；* 应用于参数互相关联的过程；* 应用于非线性过程。2.4前馈控制系统的优缺点按系统的结构特点分析前馈控制系统和反馈控制系统的优缺点： 反馈控制系统：反馈控制系统是根据系统被控量与给定位的偏差进行工作的，最后达到消除或减小偏差的目的，偏差值是控制的依据。又称闭环控制系统。是过程控制系统中最基本的一种。 前馈控制系统：直接根据扰动量的大小进行工作的，扰动是控制的依据。不构成闭合回路，故也称为开环控制系统。由于前馈控制是一种开环控制，无法检查控制的效果，所以在实际生产过程中是不能单独应用的。 前馈-反馈控制系统(复合控制系统)主要优点：能针对主要扰动迅速及时克服对被控量的影响。反馈控制的主要优点：克服其他扰动，使系统在稳态时能准确地使被控量控制在给定值上。构成的前馈反馈控制系统可以提高控制质量。实际上,前馈控制总要与反馈控制结合起来使用。这是因为在事实上只用前馈控制来实现最完美控制所必须的两个前提是无法满足的。首先,前馈控制从数学模型和装置的精度而言是有限的,由此造成前馈控制的参数有一个稳态偏差。其次,并非一切扰动都是可侧的,不可侧扰动也使被调参数产生偏差。这些偏差只能由反馈控制来加以消除。所以,只有将前馈控制与反馈控制结合起来使用,组成前馈一反馈控制系统,让二者彼此取长补短,才能得到最好的控制效果。简单的前馈一反馈控制系统可以方块图(图2-4)表示：DGf(s)Gpc(s)Gp(s)Gc(s)iD图2-4简单的前馈-反馈控制系统前馈控制主要的应用场合有以下几种情况:1、干扰幅值大而频繁,对被控变量影响剧烈,仅采用反馈控制达不到要求的对象。2、主要干扰是可测而不可控的变量。所谓可测,是指干扰量可以运用检测变送装置将其在线转化为标准的电或气的信号;所谓不可控,主要是指这些干扰难以通过设置单独的控制系统予以稳定。3、当对象的控制通道滞后大,反馈控制不及时,控制质量差,可采用前馈或前馈一反馈控制系统,以提高控制质量。第三章 变风量空调系统概述和Matlab仿真概述3.1变风量空调3.1.1变风量空调系统的简介空调系统是使用空气或冷媒水为介质，使某一房间或空间内的空气指标达到人体舒适度要求的系统。通常地，空调系统采用某种自然或机械方式，把室外清洁新鲜的空气送入室内并提供冷量或热量，同时将室内含污染物的空气排到室外，从而使室内具有适宜的舒适环境和良好的空气品质。 变风量（Variable Air Volume，VAV）空调系统是一种全空气空调系统，其典型特点是系统风量可调。此空调系统起源于高速送风空调系统，是利用改变送入室内的送风量来实现对室内温湿度调节的全空气空调系统，它的送风状态是保持不变的。 对于服务于多个房间(或区域)的定风量空调来说，经过空调设备处理过的空气，在某个房间出现部分负荷时，送往这些房间的空气往往需要进行再热处理，才能维持该房间所要要的温湿度值，这种冷热抵消的处理过程，显然是一种能量的浪费。而变风量空调系统则可以克服上述缺点，它可以改变送往房间的风量，来满足某个房间负荷变化的需要。所以，变风量空调系统是一种更为节能的空气调节方式。 在实际的民用建筑中，各个朝向的房间一天中的最大负荷出现在不同的时刻。对于定风空调量系统来说，由于其送往房间的风量和系统总风量都是固定的，因而只能按照各个房间的最大负荷来设计送风量。而变风量空调系统输送的风量(实际上输送的是热能)可以在建筑物内各个朝向的房间之间进行转移，这样系统的总设计风量比定风量空调系统要小。实际工程设计计算表明，在负荷相同的情况下，变风量空调系统的总设计风量比定风量空调系统要少10%20%，所以变风量空调系统设备需求的容量也比定风量空调系统要小，这样既节省设备费用的投资，而且在系统运行中成本也大大降低。综上即为变风量空调系统的优势所在。变风量空调的基本原理是通过改变送入空调房间或某一特定空间新风量的大小，来吸收某一区域的余热和余湿，从而达到控制室内某一区域的温度和湿度基本保持不变的目的。按照全空气空调系统设计的基本要求，送入房间的风量可按下式确定： 上式中，Q为送风量，m3 /h：L 为空调房间室内负荷，W：为空气密度，Kg3 /m ：c为空气定压比热， kJ /( kg) ：tn 、ts为室内空气温度和送风温度，。由上式可知，当空调房间室内负荷 L发生变化时，为了保持室内温度tn 不变，可通过两种方法得以实现。一种方法是保持送风量Q不变，改变送风温度ts的大小，采用这种方法的空调系统称为定风量（Constant Air Volume，CAV）系统；另一种方法是保持送风温度ts 不变，改变送风量Q的大小，采用这种方法的空调系统称为变风量（VAV）系统。变风量空调系统通过改变空气处理机组内部的变频风机的频率以及房间末端风阀开度的大小等实现对送风量大小的控制。由于变风量空调系统运行时，风机输送的空气量是随室内负荷大小而不断变化的，输送空气所消耗的能量比定风量系统少，因此节能效果较好。3.1.2传统送风温度控制变风量空调系统的控制思路是稳定系统送风温度，根据房间显热负荷的需要调节末端装置送风量。但是，系统在实际运行过程中，不管是供冷还是供热，其送风温度在设计值上不断地发生变化。事实上，大多数现代变风量空调系统，其最佳送风温度设定值在整个运行期间是变化的，因此有必要对送风温度进行控制，使系统在节能、降噪的同时，兼顾到系统送风量，从而取得更加显著地运行节能效果。水阀-送风温度的单闭环控制方式，如图 3-1 所示，通过调节冷冻水阀开度，使送风温度保持在设定值内，由于送风温度控制具有滞后性，从而影响了变流量水系统的控制性能。图3-1传统送风温度单闭环控制3.1.3基于前馈补偿的送风温度控制在变风量空调系统中应用的补偿控制，按自动控制原理来讲，实际上就是前馈控制。我们前面讨论的控制系统，都是按偏差来进行控制的反馈控制系统。不论是什么干扰引起被调参数的变化，控制器均可根据偏差进行控制，这就是其优点。但它也有一些固有的缺点：对象总存在滞后惯性，从干扰作用出现到形成偏差需要时间，从偏差产生到通过偏差信号产生控制作用去抵消干扰作用的影响又需要一些时间。也就是说，控制作用总是不及时的，在被控量偏离其给定值之前，反馈控制根本无法将干扰克服，限制了控制质量的进一步提高。 前馈控制与反馈控制原理不同，它是按照引起被控参数变化的干扰大小进行控制的。这种控制系统中要直接测量负载干扰量的变化。当干扰刚刚出现且能测量出时，控制器就能发出信号使控制量作相应变化，使两者抵消于被控量发生偏差之前。因此，前馈控制对干扰的克服比反馈控制块。 在实验中，通过表冷器冷冻水阀门的开度来控制送风温度，从而使送风温度与设定值保持一致。引起温度改变的干扰因素很多，主要的干扰是被加热的室外新风温度的大小。当发生室外新风温度的干扰时，送风温度就会有偏差。如果用一般的反馈控制，控制器只根据送风温度与给定位的偏差进行控制。当发生新风温度干扰后，就要等送风温度变化后控制器才开始动作。而控制器控制冷冻水阀，改变冷冻水的流量以后，又要经过热交换过程的惯性，才使送风温度变化而反映出调节效果，这就可能使送风温度产生较大的动态偏差。如果根据新风温度的测量信号来控制冷冻水阀，那么，当发生新风温度变化后，就不必等到新风温度变化反应到送风温度以后再去控制，而是可以根据新风温度的变化，立即对冷冻水阀进行控制，甚至可以在送风温度还没有变化前就及时将新风温度的干扰补偿了。本课题研究的变风量空调送风温度控制，由于在变风量空调系统中，其基本特性是改变系统的送风量，保持送风温度不变，空调末端装置的送风量是通过对空调室内温度的设定值大小来控制的，而与送风温度无关。因此，变风量系统送风温度的合理设置应该得到人们的足够重视，避免在系统运行过程中造成末端装置的噪声过大，耗能过高。本次实验的目的就是通过冷冻水系统的变流量控制来保证送风温度的恒定，对送风温度的控制因素主要有冷冻水流量、新风温度、新回风量之比、冷冻水的供水温度、风机在变频运行下的转速变化以及其它各种空气处理机组负荷变化，但冷冻水流量的对送风温度的控制占主导因素。采用基于前馈补偿的送风温度控制系统来克服由于其他不定因素对送风温度的影响，由于系统的控制过程是温度控制，各循环水路的温度反映速度比较慢，会产生各种滞后时间，通过补偿控制可以消除系统的纯滞后，从而提高系统的控制性能和鲁棒性，并改善系统的控制品质。这就我们所说的前馈控制方法。基于前馈补偿的送风温度控制系统如图3-2所示：图3-2基于前馈补偿的送风温度控制3.2 MATLAB仿真概述3.2.1 MATLAB概述MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+ ，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。MATLAB包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。开放性使MATLAB广受用户欢迎。除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。3.2.2 Matlab语言的特点 Matlab确切说不是一个程序设计语言，而是一个数学运算工具。Matlab里数据存储的基本单元是矩阵，即使一个数，内部也是看做一个矩阵。数组也是矩阵。所以对矩阵的运算是最快的。即 如果在Matlab里，你用for循环对一个数组进行操作，与直接矩阵操作，运算时间有很大的差别。当然数据少时不好看出来，大量数据就能体会出来了。Matlab的特点就是它将矩阵作为基本存储单元。另外Matlab的工具箱也很丰富，在图像处理、信号处理、小波、人工智能、经济数学等方面的工具箱里的工具、示例非常多，功能非常强大。Matlab还支持与C+等多种语言的混合编程。下面是为Matlab归纳的几条简单特点：（1）友好的工作平台和编程环境（2）简单易用的程序语言（3）强大的科学计算机数据处理能力（4）出色的图形处理功能（5）应用广泛的模块集合工具箱（6）实用的程序接口和发布平台（7）应用软件开发（包括用户界面）3.2.3 Simul