基于SIMULINK的載熱體前饋反饋控制系統(tǒng)仿真研究控制系統(tǒng)仿真課程設計1

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1、 內蒙古科技大學 本科生課程設計論文 題 目：基于SIMULINK的載熱體前饋-反饋控制系統(tǒng)仿真研究 內蒙古科技大學課程設計任務書 課程名稱 控制系統(tǒng)仿真 設計題目 載熱體前饋-反饋控制系統(tǒng)仿真 指導教師 時間 一、教學要求 1、理解載熱體前饋-反饋控制系統(tǒng)的組成及的工作原理； 2、掌握使用Matlab/Simulink軟件對控制系統(tǒng)的建模與仿真的方法； 3、掌握控制器的設計方法，以及控制器參數整定和優(yōu)化的方法。 二、設計資料及參數 設計資料詳見《過程控制系統(tǒng)的Matlab仿真》（劉文定主編）9

2、.1.3節(jié)。 本設計涉及到的控制原理、過程控制系統(tǒng)等內容參考相關專業(yè)課教學內容。 設計參數：見《過程控制系統(tǒng)的Matlab仿真》（劉文定主編）9.1.3節(jié)。 三、設計要求及成果 1、利用Simulink建立載熱體前饋-反饋控制系統(tǒng)仿真模型，采用前饋反饋控制和串級控制兩種方案。 2、設計以上系統(tǒng)中控制器的參數，觀察仿真結果，比較各種參數下的系統(tǒng)響應曲線，內容驗證仿真結果的正確性; 3、撰寫不少于3000字的設計報告。 設計報告要求提交紙質文檔，設計報告包括設計背景、設計原理、設計過程、結果分析等幾個部分，要求給出設計模型圖以及仿真結果圖。相關Matlab/Simulink設

3、計文件要求提交電子文檔。 四、進度安排 收集和查閱資料（一天） Matlab/Simulink建模（兩天） 控制系統(tǒng)設計與優(yōu)化（一天） 編寫技術設計書（一天） 五、評分標準 課程設計成績評定依據包括以下幾點：1）工作態(tài)度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的設計是否可行和優(yōu)化(40%)；4）課程設計技術設計書編寫水平(占30%)。分為優(yōu)、良、中、合格、不合格五個等級。 考核方式：設計期間教師現場檢查；評閱設計報告。 六、建議參考資料 1、《控制系統(tǒng)數字仿真與CAD》，李國勇，電子工業(yè)出版社，2011年1月第2版 2、《過程控制系統(tǒng)的Mat

4、lab仿真》,劉文定，機械工業(yè)出版社，2009年2月第1版 摘 要 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干擾值的大小在被調參數偏離給定值之前進行控制，使被調量始終保持在給定值上，但這種控制方式也存在局限，首先表現在前饋控制系統(tǒng)中不存在被調量的反饋，即對于補償的結果沒有檢驗手段。反饋控制是根據被調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行調節(jié)（或偏差即將形成），如果干擾已經發(fā)生，而被調參數還沒變化時，調節(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。 因此把它們結合起來就產生

5、了前饋—反饋復合控制系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能把前饋與反饋的優(yōu)點結合起來，既能發(fā)揮前饋調節(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。 關鍵詞：計算機應用軟件 換熱器 仿真分析 仿真建模 SIMULINK 目錄 目錄 5 1 概述 7 1.1 SIMULINK 7 1.2 換熱器 8 1. 換熱器概述 8 2.換熱器的特性 9 1.3 前饋-反饋控制系統(tǒng) 10 2 控制方案 11 2.1　載熱體流量的控制方案 11 2.2 控

6、制系統(tǒng)仿真設計 13 2.3 參數整定 14 3　載熱體流量控制系統(tǒng)仿真實驗 16 3.1 載熱體流量控制系統(tǒng)仿真框圖 16 3.2載熱體流量控制系統(tǒng)仿真響應曲線 17 4 結 語 18 參考文獻 19 　引言 生產過程中必須保證產品滿足一定的數量和質量的要求，同時也要保證生產的安全和經濟，這就要求生產過程在預期的工況下進行。但是，生產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。因此，現

7、代的自動控制系統(tǒng)往往包含自動保護、自動檢測、自動報警、順序控制等內容。有時，它們有機的組合成一個不可分割的整體，以確保控制系統(tǒng)的安全可靠。 以往人們對換熱器控制系統(tǒng)進行仿真， 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用相應的軟件包來作進一步的處理， 使得編制、調試程序更復雜。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。而換熱器控制系統(tǒng)是一個比較復雜的系統(tǒng)， 求取狀態(tài)方程有一定的難度， 若系統(tǒng)結構發(fā)生變化, 則需要重寫狀態(tài)方程， 仿真

8、程序的修改工作量很大， 仿真模型的利用率低。 本文采用MATLAB下的Simulink作為仿真平臺對換熱器控制系統(tǒng)進行建模，采用各種模型對換熱器控制系統(tǒng)進行仿真實驗。并將仿真實驗與現場試驗相比較，驗證仿真模型和算法的正確性，體現了模塊化建模在仿真計算中的優(yōu)勢。 1 概述 1.1 SIMULINK 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準備有數百種福定義的系統(tǒng)環(huán)節(jié)模型、最先進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系

9、統(tǒng)的模型，從而評估設計并修復瑕疵。SIMULINK具有如下的特點：? （1）建立動態(tài)的系統(tǒng)模型并進行仿真。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)結構，SIMULINK幾乎可分析任何一種類型的真實動態(tài)系統(tǒng)。? （2）以直觀的方式建模。利用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，鼠標點擊連續(xù)就可以了。SIMULINK標準庫擁有超過150中，可用于構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

10、力學元件、代數函數和非線性函數、數據顯示模塊等。SIMULINK模塊可以被設定為觸發(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。 （3）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，重新設定對話框，甚至換用其他形式的彈出菜單和復選框。SIMULINK允許用戶吧自己編寫的C、FORTRAN、Ada代碼直接植入SIMULINK模型中。? （4）快速、準確地進行設計模擬。SIMULINK優(yōu)秀的積分算法給非線性系統(tǒng)仿真帶來了極高的精度。先進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)

11、或不連續(xù)的系統(tǒng)和具有代數環(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、準確地進行。同時，SIMULINK還未用戶準備一個圖形化的調試工具，以輔助用戶進行系統(tǒng)開發(fā)。? （5）分層次的表達復雜系統(tǒng)。SIMULINK的分級建模能力使得體積龐大、結構復雜的模型構建也簡便易行。根據需要，各種模塊可以組織成若干子系統(tǒng)。在此基礎上，整個系統(tǒng)可以按照自定向下或自底向上的方式搭建。子模型的層次數量完全取決于所構建的系統(tǒng)，不受軟件本身的限制。為方便大型復雜結構系統(tǒng)的操 作，SIMULINK還提供了模型結構瀏覽的功能。? （6）交互式的仿真分析。SIMULINK的示波器可以動畫和圖像顯

12、示數據，運行中可調整模型參數進行What-if分析，能夠在仿真運算進行時監(jiān)視仿真結果。這種交互式的特征可以幫助用戶快速的評估不同的算法，進行參數優(yōu)化。? 由于SIMULINK完全集成于MATLAB，在SIMULINK下計算的結果可以保存到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據。 1.2 換熱器 1. 換熱器概述 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（目標流體），使目標流體出口溫度達到工藝要求的熱交換設備，特別是被加熱介質是水的換熱器，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分類

13、，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將熱量傳給低溫介質。混合式換熱器是冷熱兩種流體直接接觸進行混合而實現換熱的換熱器。 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。 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。 殼管式換熱器是應用最廣泛的傳統(tǒng)換熱器，其最基本的構造是在圓形殼體內加許多熱交換用的小管，

14、當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外都是水，由于小管兩側水的流速比較接近，圓形外殼直徑不能太大，當加熱面積不能太大，當加熱面積要求較大時，常常將幾段連接起來，故又稱為分段式水-水熱交換器，常用于熱水采暖系統(tǒng)。 板式換熱器是發(fā)展中的新型高效換熱設備之一。結構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。 等離子體改性強化換熱器，其構造基本上同殼管式換熱器，蒸汽在殼程，被加熱

15、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： （1）換熱效率高，是同體積其他換熱器換熱量的2倍以上。 （2）設備結構緊湊，占地面積和占用空間小，安裝使用方便。 （3）由于換熱管經過等離子體改性處理，換熱管表面不易結垢，換熱效率穩(wěn)定。 （4）金屬耗量低，比普通產品節(jié)約三分之一以上。 2.換熱器的特性 圖1.1所示為換熱器的換熱原理，其中G1、G2分別為工藝介質及載熱體的流量；T1i、T2i分別為工藝介質及載熱體的入口溫度；T1o、T2o分別為工藝介質及載熱體的出口溫度；c1、c2分別為工藝介質及載熱體的比熱容。

16、 圖1.1 換熱器換熱原理 根據換熱器兩側不發(fā)生相變，可得到熱量平衡方程式為 G2c2(T2i-T2o)=G1c1(T1o-T1i) 換熱器的傳熱速率為 q=KF T 式中 K——傳熱系數，單位是kcal/(℃*㎡*h); F——傳熱面積，單位是㎡； T——平均溫度差，單位是℃。 對于單程、逆流換熱器的 T對數平均值為 （T2i-T1o）-(T2o-T1i) T= ㏑ T2i-T1i

17、 T2o-T1i 在多數情況下，當（1/3）<(T2i-T1o)/(T2o-T1i)<=3時，可采用算術平均值，其誤差小于5%，即 T=(T2i-T1o)-(T2o-T1i)， 2 1 整理可得換熱器的靜態(tài)特性方程為T1o-T1i= G1c1 + 1 1+ G1c1 T2i-T1i KF 2 G2c2

18、 T2i-T1i 流體出口溫度為T1o= G1c1 + 1 1+ G1c1 + T1i KF 2 G2c2 1.3 前饋-反饋控制系統(tǒng) 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，產生了前饋-反饋控制系統(tǒng)，即在反饋控制系統(tǒng)的基礎上附加一個或幾個主要擾動的前饋控制，又稱復合控制系統(tǒng)。這樣，依靠反饋控制來使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時能準確的使被調量等于給定值，而在動態(tài)過程中則利用前饋控制有效地減少被調量的動態(tài)偏差（對于主要是由于擾動引起的）。其原理框圖如圖1

19、.2所示， 圖1.2 前饋-反饋控制系統(tǒng)原理框圖 N-擾動（在此例中為料液流量D）；Y-被調量（在此例中為料液溫度）； Gd(s)前饋調節(jié)器的傳遞函數； G1(s)-控制通道對象的傳遞函數； Gf(s)-擾動通道對象的傳遞函數；Gc(s) -反饋調節(jié)器的傳遞函數； 2 控制方案 根據上述分析，換熱器出口溫度與工藝介質入口溫度、工藝介質流量、載熱體入口溫度、載熱體流量有關。其中，工藝介質入口溫度、工藝介質流量、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

20、的旁路控制。 2.1　載熱體流量的控制方案 根據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出口溫度。當載熱體壓力波動不大時，可以采用工藝介質出口 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。 圖2.1 控制載熱體單回路控制系統(tǒng) 當影響出口溫度的其他三個變量變化較頻繁、幅值波動較大（如工藝介質流量波動）且變量可測量時，可構成工藝介質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。

21、 圖2.2 控制載熱體前饋—反饋控制系統(tǒng) 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)。 圖2.3 控制載熱體串級控制系統(tǒng) 載熱體前饋—反饋控制和串級控制系統(tǒng)的結構如圖2.4所示。 圖2.4 載熱體前饋—反饋和串級控制系統(tǒng)框圖 a)前饋—反饋控制系統(tǒng) b)串級控制系統(tǒng) 2.2 控制系統(tǒng)仿真設計 假設載熱體的被控對象動態(tài)特性為G1（s）=8/(20s+1)，G2（s)=2

22、/(16s+1)，干擾通道的傳遞函數為Gf(s)=18/[(9s+1)(18s+1)]，系統(tǒng)采用前饋—反饋控制系 統(tǒng)的仿真框圖如圖2.5所示。 圖2.5前饋—反饋控制系統(tǒng)仿真框圖 2.3 參數整定 采用反饋控制器和動態(tài)前饋控制器參數分別整定方法，反饋控制器采用PI形式，其參數Kp=0.01、T1=900，仿真出對應的的階躍響應曲線并加以分析。 1） 前饋控制器靜態(tài)放大系數的整定：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的擾動輸出曲線，由圖可以

23、分析得選擇Kd=2.1較為合適。 圖2.6 前饋控制器靜態(tài)放大系數整定的仿真框圖 2） 時間常數Td1、Td2的整定：仿真框圖如圖2.7所示。采用靜態(tài)前饋系數Kd=2.1的仿真框圖進行仿真，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，Td2=14；Td1=1，Td2=13.5時仿真出在單位擾動作用下的響應曲線，經過分析各種參數曲線，選取Td1=1、Td2=13

24、.5較為合適。 圖2.7時間常數整定的仿真框圖 綜合上述，各種參數選取Kd=2.1，Td1=1，Td2=13.5。 3　載熱體流量控制系統(tǒng)仿真實驗 選取Kd=2.1，Td1=1，Td2=13.5對系統(tǒng)進行仿真實驗，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，對其進行仿真，得到圖3.2所示的響應曲線，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曲線。 3.1 載熱體流量控制系統(tǒng)仿真框圖

25、 圖3.1 載熱體前饋—反饋控制系統(tǒng)的仿真框圖 3.2載熱體流量控制系統(tǒng)仿真響應曲線 圖3.2 載熱體前饋—反饋控制系統(tǒng)響應曲線 4 結 語 仿真結果表明，SIMULINK 仿真軟件具有可視化建模和圖形輸出的能力，用它進行仿真， 可以大大減小編程量， 而且仿真結果與現場試驗所得結論基本吻合，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)的研究和設計具有重要的指導意義。 采用SIMULINK技術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)建立詳細和簡化的仿真模型，形成子系統(tǒng)模塊庫。本文重

26、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。仿真計算中應兼顧準確性及快速性，選擇適當的仿真模型，并根據具體實踐開發(fā)出新的仿真模型，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，對換熱器的設計、優(yōu)化控制及工況的預測具有重要意義。但是，換熱器載熱體控制系統(tǒng)在建立數學模型的過程中，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)仿真實驗結果與換熱器載熱體實際動態(tài)試驗結果可能會存在

27、誤差，應充分發(fā)揮SIMULINK技術的優(yōu)勢，根據換熱器的具體特性，開發(fā)出適合換熱器仿真的專業(yè)模塊，兼顧仿真結果的準確性和快速性，根據不同需求調用不同模塊，使得仿真更準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。 參考文獻 [1] 《過程控制系統(tǒng)的MATALAB仿真》，劉文定，機械工業(yè)出版社 [2] 何東健,劉忠超,范靈燕.基于MATLAB的PID控制器參數整定及仿真.西安科技大學學報.2006,第26卷第4期：511－515 [3] 張曉華.控制系統(tǒng)數字仿真與CAD.北京.機械工業(yè)出版社.1999：164-166 [4] 歐陽黎明.Matlab控制系統(tǒng)設計.北京.國防

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