换热器复合控制--(共23页)

1、 西华大学课程设计说明书 成绩 课程设计名称(mngchng)： 过程控制系统(kn zh x tn)应用系统课程设计 题 目： 换热器前馈-反馈复合控制系统(kn zh x tn)设计 学 生 姓 名： 唐梓晞 专 业： 电气工程与自动化 学 号： 312011080608320 指 导 教师： 侯思颖 日期： 年 月 日换热器前馈-反馈复合(fh)控制系统设计摘要(zhiyo)：使热量(rling)从热流体传递到冷流体的设备称为换热设备。换热设备广泛应用于炼油、化工、轻工、制药、机械、食品 、加工、动力以及原子能工业部门当中。随着时代的发展进步，工业生产对设备的要求的提高，单回路的已经不能

2、满足社会发展的需求。本设计通过对3种方案的比较，选择最优的复合控制系统，前馈反馈复合控制系统综合了反馈控制和前馈控制的优点，弥补了它们的缺点，因而前馈反馈复合控制系统得到了广泛的应用。接着对选择的方案进行具体设计。最后给出此方案的参数整定结果。关键词：换热器 控制系统 参数整定Abstract: the heat from hot to cold fluid fluid transfer device called a heat exchange equipment. Heat exchanger is widely used in Oil refining, chemical industr

3、y, light industry, machinery, pharmaceutical, food, processing, power and atomic energy industry sector. With the development of times and progress, requirements for equipment in industrial production increased, the single loop has been unable to meet the needs of social development. Through the com

4、parison of the 3 Schemes for the design, selection of optimal hybrid control system, feedforward feedback compound control system - combination of feedback controller and feedforward control, make up for their disadvantages, so the feedforward feedback control system - composite has been widely used

5、. Then the selection scheme for the specific design. Finally, the scheme of parameter tuning results.Keywords: heat exchanger control system parameter setting目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc9645 1 前言(qin yn) 2 总体设计方案(fng n)2.1 控制(kngzh)方案的论证 闭环控制有反馈环节，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以

6、叫负反馈控制。通过反馈系统使系统的精确度提高,响应(xingyng)时间缩短,适合于对系统的响应时间,稳定性要求高的系统。自动控制通常是闭环控制,而闭环控制又包含有单回路控制和复合控制等。 2.1.1 方案一：反馈控制系统 热交换器及其温度反馈控制系统，加热蒸汽通过热交换器，将热量传给排管内流过的被加热物料。物料的出口温度y（t）为被控参数，用蒸汽管路上的调节阀进行控制。引起物料出口温度变化的干扰有冷物料的流量f（t）与入口温度q1，蒸汽压力ph等。控制系统流程图控制系统框图 2.1.2 前馈控制系统(kn zh x tn) 若主要(zhyo)的干扰是冷物料的的流量f（t），其实干扰基本不变时

7、。可采用前馈控制系统，直接根据冷物料流量f（t）的变化，通过一个前馈控制器FC直接控制调节阀。这样，可以在物料出口温度变化之前，及时对流量f(t)这一主要干扰进行补偿，即前馈控制。控制系统(kn zh x tn)流程图控制系统框图 2.1.3 前馈-反馈复合控制系统 当冷物料流量f（s）发生变化时，前馈控制器Gb（s）及时发出控制指令，补偿冷物料流量f（s）变化对换热器出口温度y（s）的影响；而冷物料温度q1（s）、蒸汽压力ph（s）等扰动对物料出口温度y（s）的影响，则由反馈控制器Gc（s）来克服。控制系统(kn zh x tn)流程图 控制系统(kn zh x tn)框图2.2 控制系统的

8、方案(fng n)比较方案一反馈系统是按偏差进行控制来消除偏差的。被控量直接可测，调节器随着偏差的出现才开始动作。闭环调节，存在稳定性的问题，系统可感受所有影响输出的扰动，可消除反馈环之内各种扰动的干扰，不能保证系统有较高的控制质量。方案二前馈控制的特点是扰动补偿。在扰动还未影响输出以前，直接改变操作变量，以使输出不受或少受外部扰动的影响，前馈控制在实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干扰设计一套独立的检测装置和前馈控制器，而补偿结果没有检测手段，受前馈控制模型精度限制。方案三是把前馈控制和反馈控制结合起来的，(1)系统(xtng)综合了反馈控制和前馈控制的优点，弥补了它们的缺点，因而前馈反

9、馈复合控制系统得到了广泛(gungfn)的应用；(2)引入前馈补偿没有影响(yngxing)系统的稳定性；(3)引入反馈控制后，前馈控制中的完全补偿条件并没有改变。2.3 控制系统方案的选择 与方案一，二相比方案三一方面利用前馈控制及时有效的特点，减少主要干扰对被控参数的影响；前馈控制的作用是对主要的扰动信号进行完全补偿，可以针对主要的扰动信号，设计相应的前馈控制器；另一方面，引入反馈控制，是为了使系统能克服所有扰动信号对被调量产生的影响；因为除了已知的主要的扰动信号以外，系统中还存在其它的扰动信号，这些扰动信号对被调量的影响比较小，有的是我们能够考虑到的，有的我们根本就考虑不到或无法测量，都

10、通过反馈控制加以克服，利用反馈控制抑制各种干扰的优势，克服了其他干扰的影响，使被控参数稳定在设定值上，保证了控制系统有较高的控制质量，同时也降低了对前馈控制器的要求，便于工程上的实现。综上所述，本设计选择方案三的前馈-反馈复合控制系统。3 换热器前馈-反馈(fnku)复合控制系统3.1 前馈-反馈(fnku)复合控制分析 前馈反馈复合控制系统：系统中既有针对主要扰动信号进行补偿的前馈控制，又存在(cnzi)对被调量采用反馈控制以克服其它的扰动信号，这样的控制系统就是前馈反馈复合控制系统。工程实际中，为了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

11、础上附加一个或者几个主要扰动的前馈控制，又称复合控制。这样，依靠反馈控制来使系统在稳态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的减少被调量的动态偏差。所以，相对于单纯的前馈控制和反馈控制，复合控制具有以下优点：1）前馈控制与反馈控制组合使用，有利于对主要干扰进行前馈补偿和对其他干扰进行反馈调节，保证控制精度。2）由于增加了反馈回路，降低了对前馈控制的精度要求，有利于简化前馈控制的设计和实现。3）在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾，往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈-反馈控制系统即可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行，因而在一定程度

12、上解决了稳定性与控制精度之间的矛盾。在前馈-反馈复合控制系统中，设定值X(s),干扰F（s）对输出Y（s）的影响为 Y(s) = Gc（s）Gv（s）G0（s）X（s）/1 + Gc（s）Gv（s）G0（s） + Gf（S）+G0(s)Gv（s）Gb（s）Gm（s）F(s) / 1 + Gc（s）Gv（s）G0（s）要前馈补偿实现对干扰Y(s)的完全补偿，上式的第二项应当为零，则有:Gf(s) + G0(s)Gv(s)Gb(s)Gm(S) = 0即Gb（S） = Gf（s） / Gc（s）Gv（s）Gm（s ）3.2 换热器前馈-反馈复合控制系统(kn zh x tn)设计3.2.1 调节阀的

13、气开,气关方式(fngsh)的选择气开、气关的选择原则是：从工艺生产安全考虑，一旦系统发生故障(gzhng)、信号中断时，调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。如果控制信号中断时，阀处于打开位置危害性小，则应选用气关式调节阀；反之，若阀处于关闭位置时危害性小，则应选用气开阀。在复合控制系统中，从生产工艺安全出发，蒸汽调节阀应选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备的安全。3.2.2 调节器的正反作用选择 调节器的输出决定于被控参数的测量值与设定值之差，被控参数的测量值与设定值变化，对输出的作用方向是相反的。当设定值不变时随着测量值的增加

14、，调节器的输出也增加，则称为正作用方式；同样，当测量值增加，或设定值减小时，调节器输出减小，则为反作用方式。对于如何确定调节器的正反作用我简略的归纳为一下三点：(1)根据工艺确定调节阀的气开、气关形式。确定对象的正负特性：当控制量增加，被控参数随之增加则为“+”，反之为“-”。(2)根据负反馈原则，确定调节器的正反作用：执行器（+ -）*对象(+ -)*调节器（+ -）=“-”。由上面的原则可以确定加换热器主副调节器的正反作用。对于副调节器，当换热器温度升高时，测量信号增大故为“+”，由于调节阀为气开式也为“+”，为保证副回路为负反馈，故副调节器应为“-”，反作用方式。(3)对于主调节器，当被

15、加热物料出口温度增加，物料出口温度也增加故为“+”，为满足负反馈，主调节器也为反作用方式。3.2.3 控制(kngzh)规律的选择 对于PI调节系统可以(ky)归纳以下几点：采用PI调节的能消除被调量的静态偏差(pinch)，达到无静差调节的目的，这是此类调节系统的主要优点。如果按调节器上设置的和Ti调节系统，可以用来调整主要的振荡成分的衰减率，是调整主要非周期成分的衰减速度。 根据PI调节器的调节规律和调节过程的特点，在进行换热器复合控制系统的设计就利用PI调节器的这几个特点，所以在系统的反馈通道中采用PI调节器。4换热器前馈-反馈(fnku)复合控制系统的参数整定 前馈-反馈(fnku)控

16、制系统中有两个调节器，整定原则是反馈反馈回路前馈通道要分别整定。 4.1 调节器分析(fnx)1前馈调节器整定在整定前馈装置时，不考虑反馈控制所引起的稳定性问题，只考虑利用前馈作用来直接抵消干扰的影响，而使被调量不变化。实际生产过程中并不严格要求把扰动作用的影响全部抵消，只要求剩余的扰动作用对被调量的影响不要太大，而且在前馈-反馈系统中，由于已经有了反馈控制作用，故加入前馈作用的目的是进一步减小被调量的动态偏差。因此，可以粗略的求出Gb（s）的近似值，一般只用比例环节或一阶环节，既便于实现又能显著的减少被调量的动态偏差。 2反馈调节器整定 在整定复合控制系统中的反馈回路时，就是对由反馈调节器的

17、传递函数，控制通道的传递函数组成的闭合回路，按单回路系统的整定方法来调节反馈调节器的传递函数的整定参数，以使闭合回路有适当的稳定性裕量，而不必考虑前馈部分。由于被调量的动态偏差已由前馈控制作用大为减少，因此，在整定反馈回路时就可以适当地提高系统的稳定性裕量，以减少调节过程的震荡倾向。总而言之，在前馈-反馈控制系统中，由于有了反馈控制来保证被调量最终等于给定值，可降低前馈控制要求，使前馈调节器可以选用比较简单的动态特性和结构形式；另一方面，由于有了前馈来抵消某些主要扰动，使被调量不至于出现过大的动态偏差，因此反馈控制可以较慢地进行。4.2 复合控制系统(kn zh x tn)整定方法4.2.1前

18、馈-反馈控制系统整定方法(fngf)介绍前馈-反馈复合回路中调节器参数整定的方法很多，归纳起来可以(ky)分为两大类：理论计算整定法和工程整定法。理论计算法就是广义频率特性法；工程整定方法包括临界比例带法，衰减曲线法，经验法和动态参数法，因为后两者的工作量比较大，运算比较复杂，一般不用这两种方法来整定参数。下面我们简单介绍一下广义频率特性法和衰减曲线法。4.2.2 广义频率特性法广义频率特性法是通过调整调节器的动态参数，使控制系统的开环频率特性变成具有规定相对稳定度的衰减频率特性，从而使闭环系统响应满足规定衰减率的一种参数整定方法。用广义频率特性法整定调节器参数，就是再已知广义对象的传递函数吼

19、，计算出具有规定的衰减率下调节器的整定参数值。利用广义频率特性法计算调节器参数，其前提是获得对象的传递函数，另外，该方法计算工作量大，因此常用工程整定方法加以实现。4.2.3 衰减曲线法衰减曲线法是在总结临界比例带法基础上发展起来的，它是利用比例作用下产生的4:1衰减振荡过程时调节比例带，即过程衰减周期时间t，根据经验公式计算出调节器的各个参数。衰减曲线法的具体步骤 1）置调节器的积分时间Ti到无穷大，微分时间Td 到0，比例带为稍大的值；将系统投入闭环运行2) 在系统处于稳定状态后作阶跃扰动实验，应观察控制过程。如果过度过程衰减率大于0.75，应逐步减小比例带值，并再次实验，直到过渡过程曲线

20、出现4：1的衰减过程。3）按计算结果设置好调节器的各个参数，作阶跃扰动实验(shyn)，观察调节过程，适当修改调节器参数，到满意为止。与临界比例带法一样，衰减曲线法也利用了比例作用下的调节过程。4.3 参数(cnsh)整定工具 本次设计使用(shyng)的工具是MATLAB的simulink组件。4.3.1 MATLAB软件的简要知识简介 控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论，计算机数学与计算机技术的综合性新型学科。这门学科的产生和发展差不多是与计算机的发明及发展同步进行的。计算机仿真是用来帮助设计人员进行设计的一种新技术。它包含控制系统分析，综合，设计，检验等多方面的计算机处理。计算机仿

21、真基于计算机的高速而精确的运算，以实现各种功能。MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连matlab开发工作界面

22、接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB具有以下六个特点：1.编程效率高。用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题(wnt)，MATLAB语言也可通俗地称为演算纸式的科学算法语言。由于它编写简单，所以编程效率高，易学易懂。2. 用户使用方便。MATLAB语言把编辑、编译、连接和执行融为一体(rng wi y t)，其调试程序手段丰富，调试速度快 ，需要学习时间少。它能在同一画面上进行灵活操作快速排除输入程序中的书写错误、语法 错误以至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度，可以说

23、在编程和调试过程中它是一种比VB还要简单的语言。3扩充能力强。高版本的MATLAB语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且MATLAB的库函数同用户文件在形成上一样，所以用户文件也可作为MATLAB的库函数来调用。因而，用户可以根据(gnj)自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高MATLAB使用效率和扩充它的功能。4语句简单，内涵丰富。MATLAB语言中最基本最重要的成分是函数，其一般形式为(a，6，c)= fun（d，e ，f，），即一个函数由函数名，输入变量d，e，f，和输出变量a，b，c .组成，同一函数名F，不同数目的输入变量（包括无输入变量）及不同数目的输

24、出变量，代表着不同的含义。这不仅使MATLAB的库函数功能更丰富，而大大减少了需要的磁盘空间，使得MATLAB编写的M文件简单、短小而高效。5高效方便的矩阵和数组运算。MATLAB语言像Basic、Fortran和C语言一样规定了矩阵的一系列运算符，它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便，这是其它高级语言所不 能比拟的。6方便的绘图功能。MATLAB的绘图是十分方便的，它有一系列绘图函数（命令），使用时只需调用不同的 绘图函数（命令），在图上标出图题、XY轴标注，格绘制也只需调用相应

25、的命令，简单易行。另外，在调用绘图函数时调整自变量可绘出不变颜色的点、线、复线或多重线。4.3.2 Simulink的使用(shyng)Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图(kungt)设计环境，是实现 HYPERLINK /view/3821780.htm t _blank 动态(dngti)系统建模、仿真和分析的一个 HYPERLINK /view/600107.htm t _blank 软件包，被广泛应用于 HYPERLINK /view/375180.htm t _blank 线性系统、非线性系统 HYPERLINK /view/1819

26、47.htm t _blank 数字控制及 HYPERLINK /view/162096.htm t _blank 数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建 HYPERLINK /view/3821780.htm t _blank 动态系统模型， Simulink提供了一个建立模型方块图的图形 HYPERLINK /view/1309799.htm t _blank 用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了

27、的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于 HYPERLINK /view/3821780.htm t _blank 动态系统和 HYPERLINK /view/6115.htm t _blank 嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种 HYPERLINK /view/545543.htm t _blank 时变系统，包括通讯、控制、 HYPERLINK /view/642820.htm t _blank 信号处理、视频处理和 HYPERLINK /view/4400988.htm t _blank 图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定

28、制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、 HYPERLINK /view/80110.htm t _blank 批处理 HYPERLINK /view/54.htm t _blank 脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。打开simulink的方法是在MATLAB命令窗口中输入simulink，结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。当然用户也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开Simuli