开题报告-前馈控制系统设计.doc

长安大学毕业设计（论文）开题报告表课题名称前馈控制系统设计课题来源课题类型 工程设计指导教师学生姓名学 号2403100104专 业电子信息工程一.课题的意义：自动化技术在工业、农业、科技以及人们的日常生活中发挥着重要的作用。自20世纪90年代以来，作为信息科学的重要分支，自动化技术本身及其应用领域得到了迅速的提高和发展。自动化技术作为国家高科技的重要组成部分，其水平高低已成为衡量国家科技实力和各个行业现代化水平的重要标志。过程控制通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之一，其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、纺织、建材、核能、环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要的地位。过程工业的发展虽然取决于许多因素，但工业自动化显然是重要的方面。随着计算机技术的飞速发展和现代控制理论的完善，发达国家的自动化技术突飞猛进，已经开始摆脱自动化孤岛的传统模式，向着整体、综合、集成的方向发展。过程工业计算机控制优化、管理的最高水平是计算机集成制造系统CIMS，过程工业CIMS与制造业的CIMS几乎是完全不同的，在过程工业CIMS中，先进控制与在线优化技术起到了核心的作用。他们既是现场基础控制层与调度决定层的中间纽带，又是获得巨大经济效益的关键所在，因而备受亲睐，世界上许多国家正在不遗余力、不惜重金，组织开展有关的研究，如前几年美国、日本和欧洲共同联合起来，集资十亿美元，开展名为“新世纪控制与优化理论及其在工业制造系统中应用”的研究，并且加强了与高等院校、研究所和公司之间的紧密合作，努力推动控制和计算机技术的应用和发展。从发展趋势看，信息技术（主要是自动化技术）在过程工业中所占的比例将进一步增长，美国企业在1965年时，信息技术设备占总资产投资不到5%，90年代初即达到30%以上，预计2000年可占50%。目前我国大型企业的信息技术设备投资只相当于美国60 年代的5%，因此，提高我国工业过程的信息化水平形势紧迫。也就是说，实现我国工业过程生产现代化，必须从信息技术设备投资只占5%迅速提高到50%，工业过程先进控制与优化技术必将以工业增长十倍的速度增长，才能赶上时代的步伐。能源的日益紧张已经是一个不争的事实。工业过程先进控制与优化系统应用，在提高产品质量和劳动生产率的同时，还可以起到大幅度节能降耗的目的。统计显示，目前我国工业锅炉仅对煤的耗用量就占总能源消耗的1/4，我国能源的利用率只有32%，比发达国家低10-20%，还有一组数据：中国单位产值的能源消耗量是师姐平均水平的4.6倍，是日本的13.4倍，是印度的1.9倍。如果能在自动控制的条件下实现优化，不仅可以大大提高能源的利用率，同时还可以减少三废排放量，环保、节能意义很大。二.国内外研究概况：过程控制是工业自动化的重要分支。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。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。从过程控制采用的理论与技术手段来看，可以粗略地把它划为三个阶段：开始到70 年代为第一阶段，70 年代至90 年代初为第二阶段，90 年代初为第三阶段开始。其中70 年代既是古典控制应用发展的鼎盛时期，又是现代控制应用发展的初期，90 年代初既是现代控制应用发展的繁荣时期，又是高级控制发展的初期。第一阶段是初级阶段，包括人工控制，以古典控制理论为主要基础，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制，在诸多控制系统中，以单回路结构、PID 策略为主，同时针对不同的对象与要求，创造了一些转门的控制系统，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大滞后的Smith 预估器，克服干扰的前馈控制和串级控制等等，这阶段的主要任务是稳定系统，实现定值控制。这与当时生产水平是相适应的。第二阶段是发展阶段，以现代控制理论为主要基础，以微型计算机和高档仪表为工具，对较复杂的工业过程进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象特性时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，满足复杂的工艺要求，提高控制质量。1975 年，世界上第一台分散控制系统在美国Honeywell 公司问世，从而揭开了过程控制崭新的一页。分散控制系统也叫集散控制系统，它综合了计算机技术、控制技术、通信技术和显示技术，采用多层分级的结构形式,按总体分散、管理集中的原则，完成对工业过程的操作、监视、控制。由于采用了分散的结构和冗余等技术，使系统的可靠性极高，再加上硬件方面的开放式框架和软件方面的模块化形式，使得它组态、扩展极为方便，还有众多的控制算法(几十至上百种) 、较好的人机界面和故障检测报告功能。经过20 多年的发展，它已日臻完善，在众多的控制系统中，显示出出类拔萃的风范，因此，可以毫不夸张地说，分散控制系统是过程控制发展史上的一个里程碑。第三阶段是高级阶段，目前正在来到。目前，过程控制正朝高级阶段走来，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。它表现的最大特征是仿人脑功能，这一点在某种程度上是回复到初级阶段的人工控制，但更多的是在人工控制基础上的进步与飞跃，从哲学的角度来说，是“螺旋式上升”。三.本设计的研究内容：本文主要研究的是过程控制的基本原理和实现方法，而其中重点研究前馈控制系统的基本原理和结构系统及前馈控制系统与反馈控制系统的比较，将达到在生活和工业中可以熟练运用这些系统方法，以减少因系统误差而消耗的物理量和资源，达到提前预知和控制的效果。还要熟练运用matlab和simulink软件编程来仿真过程控制，可以得到前馈控制的运行图形，并且比较系统校正前后所得到运行图的异同，以便更好的了解该系统的特点。本文主要研究内容：1、学习掌握前馈控制系统原理。2、学习比较前馈控制系统、反馈控制系统、比值控制系统、串联控制系统、前馈-反馈控制系统原理的区别及各自的优缺点。3、学习matlab软件及simulink仿真软件。4、结合实例说明各个整定方法，用软件实现，仿真得到运行图形。四.研究方法、手段： 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、比值控制系统、串联控制系统、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。五.工作计划及安排：序号 设计（论文）各阶段名称 日 期 1 调研准备 3月12日-3月20日（第1周）2 熟悉相关知识，完成翻译 3月21日-4月3日（第2-3周）3 需求分析及概要设计 4月4日-5月2日（第4-8周）4 编程 5月3日-5月17日（第8-9周）5 测试及Bug 修改 5月18日-6月1日（第10-11周）6 撰写毕业设计论文 6月2日-6月7日（第12周）7 答辩 6月8日-6月17日（第13周）六.预期成果：熟练掌握前馈控制系统的基本原理和系统结构，对前馈控制系统、反馈控制系统、比值控制系统、串联控制系统、前馈-反馈控制系统进行对比，分析各自的优缺点。可以对实例系统进行数学建模找的合适的建模系统，熟练运用Matlab和Simulink两种仿真工具对不同的控制系统进行编程仿真，学会对不稳定的系统进行校正，分析加入前馈控制前后所得仿真图和参数，比较出前馈控制在系统中所起的作用。七.完成任务所具