1、 内蒙古科技大学本科生课程设计论文题 目：基于 SIMULINK 的载热体前馈-反馈控制系统仿真研究学生姓名：蒙龙华学 号：1067112303专 业：测控技术与仪器班 级：测控 3 班指导教师：李琦2014 年 12 月 9 日内蒙古科技大学课程设计论文2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 2013.12.022013.12.06一、教学要求1、理解载热体前馈 -反馈控制系统的组成及的工作原理；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
2、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
3、，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、不合格五内蒙古科技大学课程设计论文3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
4、，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版内蒙古科技大学课程设计论文4摘 要前馈控制系统和反馈控制系统都属于单回路控制系统，它们有各自的优缺点。诸如前馈控制能根据干扰值的大小在被调参数偏离给定值之前进行控制，使被调量始终保持在给定值上，但这种控制方式也存在局限，首先表现在前馈控制系统中不存在被调量的反馈，即对于补偿的结果没有检验手段。反馈控制是根据被调量与给定值的偏差值来控制的，反馈系统的特点是在干扰作用下，必须形成偏差才能进行调节（或偏差即将形成） ，如果干扰已经发生，而被调参数还没变化时
5、，调节器是不会动作的，即反馈控制总是落后于干扰动作，因此称之为不及时控制。因此把它们结合起来就产生了前馈反馈复合控制系统，这种系统能把前馈与反馈的优点结合起来，既能发挥前馈调节控制及时的优点，又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处，较好地解决了控制过程中的问题，通过仿真可以得出这种系统既能获得较好的稳定性，又有较好的抗扰性能。关键词：计算机应用软件 换热器 仿真分析 仿真建模 SIMULINK内蒙古科技大学课程设计论文5目录目录.51 概述.71.1 SIMULINK.71.2 换热器.81. 换热器概述.82.换热器的特性.91.3 前馈-反馈控制系统.102 控制方案.112.1
6、 载热体流量的控制方案.112.2 控制系统仿真设计.132.3 参数整定.143 载热体流量控制系统仿真实验.163.1 载热体流量控制系统仿真框图.163.2 载热体流量控制系统仿真响应曲线.174 结 语.18参考文献.19内蒙古科技大学课程设计论文6引言生产过程中必须保证产品满足一定的数量和质量的要求，同时也要保证生产的安全和经济，这就要求生产过程在预期的工况下进行。但是，生产过程往往受到各种扰动而偏离正常工况，必须通过自动控制随时消除各种干扰，保证正常运行。更为严重的是有时自动控制系统本身也要发生故障，这就要求在设计自动控制系统时，考虑各种可能发生的故障，并加以保护。因此，现代的自动
7、控制系统往往包含自动保护、自动检测、自动报警、顺序控制等内容。有时，它们有机的组合成一个不可分割的整体，以确保控制系统的安全可靠。以往人们对换热器控制系统进行仿真， 大多采用 Basic、 Fort ran、 C、C + + 等算法语言来编制仿真程序， 编程复杂， 而且受上述算法语言的绘图功能的限制，要绘出仿真曲线就得调用相应的软件包来作进一步的处理， 使得编制、调试程序更复杂。另外，过去建立仿真模型往往是以系统的状态方程为基础的， 在仿真前需要手工求出系统的状态方程。而换热器控制系统是一个比较复杂的系统， 求取状态方程有一定的难度， 若系统结构发生变化, 则需要重写状态方程， 仿真程序的修改
8、工作量很大， 仿真模型的利用率低。本文采用 MATLAB 下的 Simulink 作为仿真平台对换热器控制系统进行建模，采用各种模型对换热器控制系统进行仿真实验。并将仿真实验与现场试验相比较，验证仿真模型和算法的正确性，体现了模块化建模在仿真计算中的优势。1 概述 1.1 SIMULINKSIMULINK 是一种强有力的仿真工具，它能让使用者在图形方式下以最小的代内蒙古科技大学课程设计论文7价来模拟真实动态系统的运行。SIMULINK 准备有数百种福定义的系统环节模型、最先进的有效积分算法和直观的图示化工具。依托 SIMULINK 强健的仿真能力，用户在原型机制造之前就可建立系统的模型，从而评
9、估设计并修复瑕疵。SIMULINK具有如下的特点： （1）建立动态的系统模型并进行仿真。SIMULINK 是一种图形化的仿真工具，用于对动态系统建模和控制规律的研究制定。由于支持线性、非线性、连续、离散、多变量和混合式系统结构，SIMULINK 几乎可分析任何一种类型的真实动态系统。 （2）以直观的方式建模。利用 SIMULINK 可视化的建模方式，可迅速地建立动态系统的框图模型。只需在 SIMULINK 元件库中选出合适的模块并施放到 SIMULINK 建模窗口，鼠标点击连续就可以了。SIMULINK 标准库拥有超过 150 中，可用于构成各种不同种类的动态模型系统。模块包括输入信号源、动力
10、学元件、代数函数和非线性函数、数据显示模块等。SIMULINK 模块可以被设定为触发和使能的，用于模拟大模型系统中存在条件作用的子模型的行为。（3）增添定制模块元件和用户代码。SIMULINK 模块库是可制定的，能够扩展以包容用户自定义的系统环节模块。用户也可以修改已有模块的图标，重新设定对话框，甚至换用其他形式的弹出菜单和复选框。SIMULINK 允许用户吧自己编写的C、FORTRAN、Ada 代码直接植入 SIMULINK 模型中。 （4）快速、准确地进行设计模拟。SIMULINK 优秀的积分算法给非线性系统仿真带来了极高的精度。先进的常微分方程求解器可用于求解刚性和非刚性的系统、具有时间
11、触发或不连续的系统和具有代数环的系统。SIMULINK 的求解器能确保连续系统或离散系统的仿真速度、准确地进行。同时，SIMULINK 还未用户准备一个图形化的调试工具，以辅助用户进行系统开发。 （5）分层次的表达复杂系统。SIMULINK 的分级建模能力使得体积庞大、结构复杂的模型构建也简便易行。根据需要，各种模块可以组织成若干子系统。在此基础上，整个系统可以按照自定向下或自底向上的方式搭建。子模型的层次数量完全取决于所构建的系统，不受软件本身的限制。为方便大型复杂结构系统的操作，SIMULINK 还提供了模型结构浏览的功能。 （6）交互式的仿真分析。SIMULINK 的示波器可以动画和图像
12、显示数据，运行中可调整模型参数进行 What-if 分析，能够在仿真运算进行时监视仿真结果。这种交互内蒙古科技大学课程设计论文8式的特征可以帮助用户快速的评估不同的算法，进行参数优化。 由于 SIMULINK 完全集成于 MATLAB，在 SIMULINK 下计算的结果可以保存到 MATLAB工作空间之中，因而就能使用 MATLAB 所具有的众多分析、可视化及工具箱工具操作数据。1.2 换热器1. 换热器概述换热器（热交换器）是一股或几股流体（辅助流体）加热或冷却另一股或几股流体（目标流体） ，使目标流体出口温度达到工艺要求的热交换设备，特别是被加热介质是水的换热器，在供热系统中得到广泛使用。
13、热水换热器按参与换热器的介质分类，分为汽-水换热器和水-水换热器；按换热器的换热方式分类，分为表面式换热器和混合式换热器。表面式换热器是冷热两种流体被金属壁面割开，而通过金属壁面高温介质将热量传给低温介质。混合式换热器是冷热两种流体直接接触进行混合而实现换热的换热器。目前常用的几种换热器有：容积式换热器、壳管式换热器、板式换热器、等离子体改性强化换热器等。容积式换热器既是换热器又是贮热水罐，在未加热前在罐体存有大量冷水，热效率低，换热时间长，浪费能源，多用于生活热水和用水不均匀的工业用热水系统，主要为罐体及加热排管两部分组成。壳管式换热器是应用最广泛的传统换热器，其最基本的构造是在圆形壳体内加
14、许多热交换用的小管，当加热的热媒为蒸汽时为壳管汽-水换热器，加热的热媒为高温水时称为壳管水-水换热器，水-水换热器由于热交换水管内外都是水，由于小管两侧水的流速比较接近，圆形外壳直径不能太大，当加热面积不能太大，当加热面积要求较大时，常常将几段连接起来，故又称为分段式水-水热交换器，常用于热水采暖系统。板式换热器是发展中的新型高效换热设备之一。结构上采用特殊的波纹金属板为换热板片，使换热液体在板间流动时，能够不断改变流动方向和速度，形成激烈的湍流，以达到强化传热的效果，且传热板片采用厚度为 1.2mm 左右的薄板，这就内蒙古科技大学课程设计论文9大大提高了其传热能力。等离子体改性强化换热器，其
15、构造基本上同壳管式换热器，蒸汽在壳程，被加热水在管程，是一种新型高效强化汽水换热器。它比一般换热器具有以下特点：（1）换热效率高，是同体积其他换热器换热量的 2 倍以上。（2）设备结构紧凑，占地面积和占用空间小，安装使用方便。（3）由于换热管经过等离子体改性处理，换热管表面不易结垢，换热效率稳定。（4）金属耗量低，比普通产品节约三分之一以上。2.换热器的特性图 1.1 所示为换热器的换热原理，其中 G1、G2 分别为工艺介质及载热体的流量；T1i、T2i 分别为工艺介质及载热体的入口温度；T1o、T2o 分别为工艺介质及载热体的出口温度；c1、c2 分别为工艺介质及载热体的比热容。图 1.1
16、换热器换热原理根据换热器两侧不发生相变，可得到热量平衡方程式为G2c2(T2i-T2o)=G1c1(T1o-T1i)换热器的传热速率为 q=KF T式中 K传热系数，单位是 kcal/(*h);F传热面积，单位是；T平均温度差，单位是。对于单程、逆流换热器的 T 对数平均值为（T2i-T1o）-(T2o-T1i)T= T2i-T1iT2o-T1iG 2 , c 2 , T 2 oG 1 , c 1 , T 1 oG 2 , c 2 , T 2 iG 1 , c 1 , T 1 i内蒙古科技大学课程设计论文10在多数情况下，当（1/3）(T2i-T1o)/(T2o-T1i)=3 时，可采用算术平
17、均值，其误差小于 5%，即 T=(T2i-T1o)-(T2o-T1i)，2 1 整理可得换热器的静态特性方程为 T1o-T1i= G1c1 + 1 1+ G1c1 T2i-T1i KF 2 G2c2T2i-T1i 流体出口温度为 T1o= G1c1 + 1 1+ G1c1 + T1iKF 2 G2c21.3 前馈-反馈控制系统工程实际中，为克服单纯前馈控制的局限性，获得良好的控制品质，产生了前馈-反馈控制系统，即在反馈控制系统的基础上附加一个或几个主要扰动的前馈控制，又称复合控制系统。这样，依靠反馈控制来使系统在稳态时能准确的使被调量等于给定值，而在动态过程中则利用前馈控制有效地减少被调量的动态偏差（对于主要是由于扰动引起的） 。其原理框图如图 1.2 所示，G c ( s ) G 1 ( s )G 2 ( s )G d ( s ) G f ( s )R ( s )N ( s )+-+-+Y ( s )图 1.2 前馈-反馈控制系统原理框图N-扰动（在此例中为料液流量 D） ；Y-被调量（在此例中为料液温度 ） ； Gd(s)前馈调节器的传递函数； G1(s)-控制通道对象的传递函数； Gf(s)-扰动通道对象的传递函数；Gc(s) -反馈调节器的传递函数；2 控制方案根据上述分析，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
