2022年基于SIMULINK的载热体前馈-反馈控制系统仿真研究_控制系统仿真课程设计.docx

精品学习资源内蒙古科技高校 本科生课程设计论文题目：基于 SIMULINK地载热体前馈 -反馈掌握系统仿真讨论同学姓名：蒙龙华学号： 1067112303专业：测控技术与仪器班级：测控 3 班指导老师：李琦2021 年 12 月 9 日课程名称掌握系统仿真设计题目载热体前馈 -反馈掌握系统仿真指导老师李琦时间2021.12.022021.12.06内蒙古科技高校课程设计任务书欢迎下载精品学习资源一、教案要求1、懂得载热体前馈 -反馈掌握系统地组成及地工作原理；2、把握使用 Matlab/Simulink软件对掌握系统地建模与仿真地方法；3、把握掌握器地设计方法，以及掌握器参数整定和优化地方法.二、设计资料及参数设计资料详见过程掌握系统地Matlab 仿真（刘文定主编） 9.1.3 节.本设计涉及到地掌握原理、过程掌握系统等内容参考相关专业课教案内容.设计参数：见过程掌握系统地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 -反馈掌握系统仿真模型，采纳前馈反馈掌握和串级掌握两种方案.2、设计以上系统中掌握器地参数，观看仿真结果，比较各种参数下地系统响应曲线，内容验证仿真结果地正确性；3、撰写不少于 3000 字地设计报告 .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、进度支配收集和查阅资料（一天）Matlab/Simulink建模（两天） 掌握系统设计与优化（一天） 编写技术设计书（一天）五、评分标准课程设计成果评定依据包括以下几点：1）工作态度（占10%）； 2）基本技能地把握程度（占20% ）； 3）方案地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：设计期间老师现场检查；评阅设计报告.六、建议参考资料1、掌握系统数字仿真与CAD ，李国勇，电子工业出版社，2021 年 1 月第 2 版2、过程掌握系统地Matlab 仿真 ,刘文定，机械工业出版社，2021 年 2 月第 1 版摘要欢迎下载精品学习资源前馈掌握系统和反馈掌握系统都属于单回路掌握系统，它们有各自地优缺点.诸如前馈掌握能依据干扰值地大小在被调参数偏离给定值之前进行掌握，使被调量始终保持在给定值上，但这种掌握方式也存在局限，第一表现在前馈掌握系统中不存在被调量地反馈，即对于补偿地结果没有检验手段.反馈掌握是依据被调量与给定值地偏差值来掌握地，反馈系统地特点是在干扰作用下，必需形成偏差才能进行调剂（或偏差即将形成），假如干扰已经发生，而被调参数仍没变化时，调剂器是不会动作地，即反馈掌握总是落后于干扰动作，因此称之为不准时掌握.因此把它们结合起来就产生了前馈 反馈复合掌握系统，这种系统能把前馈与反馈地优点结合起来，既能发挥前馈调剂掌握准时地优点，又能保持反馈掌握对各种扰动因素都有抑制作用地特长，较好地解决了掌握过程中地问题，通过仿真可以得出这种系统既能获得较好地稳固性，又有较好地抗扰性能.关键词：运算机应用软件换热器 仿真分析仿真建模 SIMULINK目录欢迎下载精品学习资源目录31 概述51.1 SIMULINK51.2 换热器61. 换热器概述62. 换热器地特性71.3 前馈 -反馈掌握系统82 掌握方案92.1 载热体流量地掌握方案92.2 掌握系统仿真设计112.3 参数整定123 载热体流量掌握系统仿真试验133.1 载热体流量掌握系统仿真框图143.2 载热体流量掌握系统仿真响应曲线154 结 语15参考文献16欢迎下载精品学习资源引言生产过程中必需保证产品满意肯定地数量和质量地要求，同时也要保证生产地安全和经济，这就要求生产过程在预期地工况下进行.但是，生产过程往往受到各种扰动而偏离正常工况，必需通过自动掌握随时排除各种干扰，保证正常运行.更为严峻地是有时自动掌握系统本身也要发生故障，这就要求在设计自动掌握系统时，考虑各种可能发生地故障，并加以爱护.因此，现代地自动掌握系统往往包含自动爱护、自动检测、自动报警、次序掌握等内容.有时，它们有机地组合成一个不行分割地整体，以确保掌握系统地安全牢靠.以往人们对换热器掌握系统进行仿真，大多采纳 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地绘图功能地限制，要绘出仿真曲线就得欢迎下载精品学习资源调用相应地软件包来作进一步地处理，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地状态方程为基础地，在仿真前需要手工求出系统地状态方程.而换热器掌握系统是一个比较复杂地系统，求取状态方程有肯定地难度，如系统结构发生变化 , 就需要重写状态方程， 仿真程序地修改工作量很大，仿真模型地利用率低 .本文采纳 MA TLAB下地 Simulink作为仿真平台对换热器掌握系统进行建模，采纳各种模型对换热器掌握系统进行仿真试验.并将仿真试验与现场试验相比较，验证仿真模型和算法地正确性，表达了模块化建模在仿真运算中地优势.1 概述1.1 SIMULINKSIMULINK是一种强有力地仿真工具，它能让使用者在图形方式下以最小地代价来模拟真实 动态系统地运行.SIMULINK预备有数百种福定义地系统环节模型、最先进地有效积分算法和直观地图示化工具 .依靠 SIMULINK强健地仿真才能，用户在原型机制造之前就可建立系统地模型，从而评估设计并修复瑕疵.SIMULINK具有如下地特点：（1） 建立动态地系统模型并进行仿真.SIMULINK是一种图形化地仿真工具，用于对动态系统建模和掌握规律地讨论制定.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地真实动态系统.（2） 以直观地方式建模 .利用 SIMULINK可视化地建模方式，可快速地建立动态系统地框图模 型.只需在 SIMULINK元件库中选出合适地模块并施放到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地动态模型系统 .模块包括输入信号源、动力学元件、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地，用于模拟大模型系统中存在条件作用地子模型地行为 .欢迎下载精品学习资源（3） 增加定制模块元件和用户代码.SIMULINK模块库是可制定地，能够扩展以包涵用户自定义地系统环节模块.用户也可以修改已有模块地图标，重新设定对话框，甚至换用其他形式地弹出菜单和复选框.SIMULINK答应用户吧自己编写地C、 FORTRAN 、 Ada 代码直接植入SIMULINK模型中 .（4） 快速、精确地进行设计模拟.SIMULINK优秀地积分算法给非线性系统仿真带来了极高地精度 .先进地常微分方程求解器可用于求解刚性和非刚性地系统、具有时间触发或不连续地系统和具有代数环地系统.SIMULINK地求解器能确保连续系统或离散系统地仿真速度、精确地进行 .同时， SIMULINK仍未用户预备一个图形化地调试工具，以帮助用户进行系统开发.（5） 分层次地表达复杂系统.SIMULINK地分级建模才能使得体积巨大、结构复杂地模型构建也简便易行 .依据需要，各种模块可以组织成如干子系统.在此基础上，整个系统可以依据自定向下或自底向上地方式搭建.子模型地层次数量完全取决于所构建地系统，不受软件本身地限 制.为便利大型复杂结构系统地操作， SIMULINK仍供应了模型结构浏览地功能.（6） 交互式地仿真分析 .SIMULINK地示波器可以动画和图像显示数据，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.这种交互式地特点可以帮忙用户快速地评估不同地算法，进行参数优化.由于 SIMULINK完全集成于 MATLAB ，在 SIMULINK下运算地结果可以储存到MATLAB工作空间之中，因而就能使用MA TLAB所具有地众多分析、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（帮助流体）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地热交换设备，特殊是被加热介质是水地换热器，在供热系统中得到广泛使用.热水换热器按参加换热器地介质分类，分为汽-水换热器和水 -水换热器；按换热器地换热方式分类，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地换热器 .目前常用地几种换热器有：容积式换热器、壳管式换热器、板式换热器、等离子体改性强欢迎下载精品学习资源化换热器等 .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，铺张能源，多用于生活热水和用水不匀称地工业用热水系统，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地传统换热器，其最基本地构造是在圆形壳体内加很多热交换用地小管，当加热地热媒为蒸汽时为壳管汽-水换热器，加热地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，由于小管两侧水地流速比较接近，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，经常将几段连接起来，故又称为分段式水 -水热交换器，常用于热水采暖系统.板式换热器是进展中地新型高效换热设备之一.结构上采纳特殊地波纹金属板为换热板片，使换热液体在板间流淌时，能够不断转变流淌方向和速度，形成猛烈地湍流，以达到强化传热地成效，且传热板片采纳厚度为1.2mm 左右地薄板，这就大大提高了其传热才能.等离子体改性强化换热器，其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地2 倍以上 .（ 2）设备结构紧凑，占地面积和占用空间小，安装使用便利.（ 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，换热效率稳固.G2,c2,T2iG1,c1,T1iG1,c1,T1oG2,c2,T2o（ 4）金属耗量低，比一般产品节省三分之一以上.2. 换热器地特性图 1.1 所示为换热器地换热原理，其中G1、G2 分别为工艺介质及载热体地流量；T1i 、T2i分别为工艺介质及载热体地入口温度；T1o 、T2o 分别为工艺介质及载热体地出口温度；c1、欢迎下载精品学习资源c2 分别为工艺介质及载热体地比热容.图 1.1 换热器换热原理依据换热器两侧不发生相变，可得到热量平稳方程式为G2c2T2i-T2o=G1c1T1o-T1i换热器地传热速率为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、逆流换热器地T 对数平均值为（ T2i-T1o ） -T2o-T1i T= T2i-T1iT2o-T1i在多数情形下，当（1/3 ） <T2i-T1o/T2o-T1i<=3时，可采纳算术平均值，其误差小于5%，即T=T2i-T1o-T2o-T1i，21整理可得换热器地静态特性方程为T1o-T1i= G1c1 + 11+ G1c1 T2i-T1iKF2G2c2T2i-T1i流体出口温度为T1o=G1c1 + 11+ G1c1+ T1i KF2G2c21.3 前馈 -反馈掌握系统工程实际中，为克服单纯前馈掌握地局限性，获得良好地掌握品质，产生了前馈-反馈掌握系统，即在反馈掌握系统地基础上附加一个或几个主要扰动地前馈掌握，又称复合掌握系统. 这样，依靠反馈掌握来使系统在稳态时能精确地使被调量等于给定值，而在动态过程中就利用前馈掌握有效地削减被调量地动态偏差（对于主要是由于扰动引起地）.其原理框图如图1.2 所示，欢迎下载精品学习资源NsGdsGfsRs-+YsGcsG1sG2s+-+图 1.2 前馈 -反馈掌握系统原理框图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）；Gds 前馈调剂器地传递函数；G1s- 掌握通道对象地传递函数；Gfs- 扰动通道对象地传递函数；Gcs -反馈调剂器地传递函数；2 掌握方案依据上述分析，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有前一道工序确定，因此可测量但不行控地.为此，换热器掌握地操纵变量可挑选为载热体地流量或工艺介质地旁路掌握 .2.1 载热体流量地掌握方案依据热量平稳方程和传热方程，在传热面积足够大时，转变载热体地流量，可有效地掌握工艺介质出口温度 .当载热体压力波动不大时，可以采纳工艺介质出口温度为被控变量、载热体流量为操纵变量地单回路掌握系统，如图2.1 所示，该方案适用于载热体流量地变化对出口温度影响较灵敏地场合.欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源载热体设定值欢迎下载精品学习资源TCTCTT工艺介质 G1图 2.1 掌握载热体单回路掌握系统当影响出口温度地其他三个变量变化较频繁、幅值波动较大（如工艺介质流量波动）且变量载热体设定值欢迎下载精品学习资源载热体TC设定值TCTTTCTT欢迎下载精品学习资源工艺介质 G1工艺介质 G1可测量时，可构成工艺介质为前馈信号和载热体流量地前馈 反馈掌握系统，如图2.2 所示.图 2.2 掌握载热体前馈 反馈掌握系统如载热体压力波动较大，也可将它作为副被控变量，组成如图2.3 所示地串级掌握系统 .图 2.3 掌握载热体串级掌握系统载热体前馈 反馈掌握和串级掌握系统地结构如图2.4 所示 .欢迎下载精品学习资源Ns欢迎下载精品学习资源RsGdsGfs-+Ys欢迎下载精品学习资源+-Gcs+G1s+aG2s欢迎下载精品学习资源Ns欢迎下载精品学习资源RsGc1sGc2sGfs+G1sG2sYs欢迎下载精品学习资源+-+-+b图 2.4 载热体前馈 反馈和串级掌握系统框图a) 前馈 反馈掌握系统b串级掌握系统2.2 掌握系统仿真设计假设载热体地被控对象动态特性为G1 （ s）=8 e 4s /20s+1 ， G2（ s=2 e 12s /16s+1 ，干扰欢迎下载精品学习资源通道地传递函数为Gfs=18e 12s /9s+118s+1 ，系统采纳前馈 反馈掌握系欢迎下载精品学习资源统地仿真框图如图2.5 所示 .欢迎下载精品学习资源图 2.5 前馈 反馈掌握系统仿真框图2.3 参数整定采纳反馈掌握器和动态前馈掌握器参数分别整定方法，反馈掌握器采纳PI 形式，其参数Kp=0.01 、T1=900 ，仿真出对应地地阶跃响应曲线并加以分析.1） 前馈掌握器静态放大系数地整定：仿真框图如图2.6 所示，依次取 Kd=0 、Kd=2 、Kd=-2、Kd=3 、Kd=1.9 、Kd=2.1 时地系统对仿真框图地扰动仿真出相应地扰动输出曲线，由图可以分析得挑选 Kd=2.1 较为合适 .图 2.6 前馈掌握器静态放大系数整定地仿真框图2） 时间常数 Td1 、Td2 地整定：仿真框图如图2.7 所示.采纳静态前馈系数Kd=2.1 地仿真欢迎下载精品学习资源框图进行仿真，给定输入为零，分别取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 时仿真出在单位扰动作用下地响应曲线，经过分析各种参数曲线，选取Td1=1 、Td2=13.5 较为合适 .图 2.7 时间常数整定地仿真框图综合上述，各种参数选取Kd=2.1 ， Td1=1 ， Td2=13.5.3载热体流量掌握系统仿真试验选取 Kd=2.1 ，Td1=1 ，Td2=13.5 对系统进行仿真试验，系统在给定信号为10，扰动信号为 3，被控对象加幅值为1 地随机干扰下地仿真框图如图3.1 所示，对其进行仿真，得到图3.2欢迎下载精品学习资源所示地响应曲线，依次为随机扰动、可测干扰信号、给定信号和输出信号地响应曲线.3.1 载热体流量掌握系统仿真框图图 3.1 载热体前馈 反馈掌握系统地仿真框图欢迎下载精品学习资源3.2 载热体流量掌握系统仿真响应曲线图 3.2 载热体前馈 反馈掌握系统响应曲线4 结 语仿真结果说明， SIMULINK仿真软件具有可视化建模和图形输出地才能，用它进行仿真， 可以大大减小编程量，而且仿真结果与现场试验所得结论基本吻合，因此特别适合载热体流量掌握系统地仿真讨论，并对换热器载热体流量掌握系统地讨论和设计具有重要地指导意义.采纳 SIMULINK技术可快速建立换热器载热体掌握系统仿真模型，并对每一子系统建立具体和简化地仿真模型，形成子系统模块库.本文重点建立了载热体前馈 反馈掌握系统仿真模型，形成了PID 模块库 .仿真运算中应兼顾精确性及快速性，挑选适当地仿真模型，并依据具体实践开发出新地仿真模型，不断丰富子系统模块库.因而，基于SIMULINK地载热体流量掌握系统仿真模型具有很强地开放性和可移植性，可以形成直观地仿真模型，模型搭建高效、快捷，对换热器地设计、优化掌握及工况地猜测具有重要意义.但是，换热器载热体掌握系统 在建立数学模型地过程中，不行防止地忽视了一些次要因素和对模型进行了简化；SIMULINK 模块库中地有些模块算法精度不高，不能满意专业需求.因而，基于SIMULINK地载热体动态欢迎下载精品学习资源仿真试验结果与换热器载热体实际动态试验结果可能会存在误差，应充分发挥SIMULINK技术地优势，依据换热器地具体特性，开发出适合换热器仿真地专业模块，兼顾仿真结果地精确性和快速性，依据不同需求调用不同模块，使得仿真更精确地反映换热器地实际过程，为实际工作供应定性分析及决策支持.参考文献1 过程掌握系统地MATALAB仿真，刘文定，机械工业出版社2 何东健 ,刘忠超 ,范灵燕 .基于 MA TLAB地 PID 掌握器参数整定及仿真.西安科技高校学报.2006,第 26 卷第 4 期： 511 5153 张晓华 .掌握系统数字仿真与CAD. 北京 .机械工业出版社 .1999： 164-1664 欧阳清晨 .Matlab掌握系统设计 . 北京. 国防工业出版社 .2001 ： 12 215 张玉铎 ,王满嫁 . 热工掌握系统 .北京.华北电力高校 .1998： 9-186 胡寿松 .自动掌握原理 .（第四版）北京 .科学出版社 .2001： 5-77 李遵基主编 .热工自动掌握系统.北京 .中国电力出版社 .1997 ： 1-608 黄忠霖 .掌握系统 MA TLAB 运算及仿真 .西安.西安电子科技高校.2004:37-489 李文涛主编过程掌握北京科学出版社202110 熊光愣 .掌握系统仿真与模型处理.北京 .科学出版社 .1993 ： 30 4111 王云亮等著 .MATLAB语言与自动掌握系统设计.北京 .机械工业出版社 .2004： 104-14712 陈哲.现代掌握理论基础.北京 .冶金工业出版社 .1987:42-4713 吕勇哉著 .工业过程模型化及运算机掌握.北京 .化学工业出版社 .1986:11-1914 邓莉 ,包明 .单回路 PID 掌握系统参数整定算法地仿真讨论.渝州高校学报 .1998, 第 15 卷第 4期： 62 6815 张凌雁 , 解绍锋 , 冯晓云 . 系统仿真技术在掌握系统中地应用. 山西电子技术. 2004,第 3期： 5 716 薛定宇 .掌握系统运算机帮助设计 Matlab 语言及应用 .北京 .清华高校出版社 . 1998： 36-60欢迎下载