载热体前馈-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 年年 11 月月 30 日日 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 目录目录 摘要摘要 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 关键词关键词 MATLAB 前馈 反馈控制系统 Simulink 仿真 第一章第一章 前言前言 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 第二章第二章 换热器的相关技术参数及特性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 ii i TT TT 12 110 1 2 1 1 22 1111 cG cG KF cG 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 12i 1i2 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 12 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 1101 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 10 T 1 G 即 K 1 1 10 G T 2 1 1 2 1 22 11 2 22 1111 12 cG c KF c cG cG KF cG TT ii 两者为非线性关系 对于不同的 和 G 可绘出工艺介质流量 KF cG 11 KF cG 22 1 与出口温度的关系曲线 根据关系曲线可得出 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 通道特性曲线具有饱和非线性 当 G c 较大时 工艺介质流 11 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 i2102 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 2 K 2 i T T 2 10 1 2 1 1 22 1111 cG cG KF cG 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 i210i2 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 i 1103 K 1 3 i T T 1 10 1 2 1 1 22 1111 cG cG KF cG 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 i 110 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 2104 K 4 2 10 G T 2 2 2 11 2 22 1111 12 1 2 1 2 cG cG cG cG KF cG TT ii 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 210 KF cG 11 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 KF cG 22 22 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 2 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 3 增大 当 G c 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 22 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 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 i 110 G K e s 1 s 式中 K 通道静态增益 1 通道的滞后时间 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 i22110 可用一带有纯滞后的二阶惯性环节来近似 即 G s s e sTsT K 1 1 21 式中 K 三通道总的静态增益 三通道总的滞后时间 第三章第三章 设计理论及仿真过程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 第四章第四章 设计小结设计小结 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 01002003004005006007008009001000 200 150 100 50 0 50 仿 仿 仿 仿 01002003004005006007008009001000 3 2 1 0 1 2 3 4 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 仿 参考文献参考文献 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