【精编完整版】基于SIMULINK的载热体前馈-反馈控制系统仿真研究_控制系统仿真毕业论文

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

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任务书

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，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

目录

目录 (5)

1 概述 (7)

1.1 SIMULINK (7)

1.2 换热器 (8)

1. 换热器概述 (8)

2.换热器的特性 (9)

1.3 前馈-反馈控制系统 (10)

2 控制方案 (11)

2.1 载热体流量的控制方案 (11)

2.2 控制系统仿真设计 (13)

2.3 参数整定 (14)

3 载热体流量控制系统仿真实验 (16)

3.1 载热体流量控制系统仿真框图 (16)

3.2载热体流量控制系统仿真响应曲线 (17)

4 结语 (18)

参考文献 (19)

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 SIMULINK

SIMULINK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。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，这就大大提高了其传热能力。

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 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-T1i

T2o-T1i

在多数情况下，当（13）<(T2i-T1o)(T2o-T1i)<=3时，可采用算术平均值，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 G2c2

T2i-T1i

流体出口温度为T1o= G1c1 + 1 1+ G1c1 + T1i

KF 2 G2c2

1.3 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，

R(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错误！未找到引用

源。）；错误！未找到引用源。d(s)前馈调节器的传递函数；错误！未找到

引用源。1(s)-控制通道对象的传递函数；错误！未找到引用源。

f(s)-扰动通道对象的传递函数；错误！未找到引用源。c(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，因此可测量但不可控的。为此，换热器控制的操纵变量可选择为载热体的流量或工艺介质的旁路控制。

2.1 载热体流量的控制方案

根据热量平衡方程和传热方程，在传热面积足够大时，改变载热体的流量，可有效的控制工艺介质出口温度。当载热体压力波动不大时，可以采用工艺介质出口温度为被控变量、载热体流量为操纵变量的单回路控制系统，如图2.1所示，该方案适用于载热体流量的变化对出口温度影响较灵敏的场合。

图2.1 控制载热体单回路控制系统

当影响出口温度的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）且变量可测量时，可构成工艺介质为前馈信号和载热体流量的前馈—反馈控制系统，如图2.2所示。

图2.2 控制载热体前馈—反馈控制系统

若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所示的串级控制系统。

图2.3 控制载热体串级控制系统

载热体前馈—反馈控制和串级控制系统的结构如图2.4所示。

a)

b)

图2.4 载热体前馈—反馈和串级控制系统框图

a)前馈—反馈控制系统b)串级控制系统

2.2 控制系统仿真设计

假设载热体的被控对象动态特性为G1（s）=8 (20s+1)，G2（s)=2 (16s+1)，干扰通道的传递函数为Gf(s)=18 [(9s+1)(18s+1)]，系统采用前馈—反馈控制系

统的仿真框图如图2.5所示。

图2.5前馈—反馈控制系统仿真框图

2.3 参数整定

采用反馈控制器和动态前馈控制器参数分别整定方法，反馈控制器采用PI形式，其参数Kp=0.01、T1=900，仿真出对应的的阶跃响应曲线并加以分析。

1）前馈控制器静态放大系数的整定：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时的系统对仿真框图的扰动仿真出相应的扰动输出曲线，由图可以分析得选择Kd=2.1较为合适。

图2.6 前馈控制器静态放大系数整定的仿真框图

2）时间常数Td1、Td2的整定：仿真框图如图2.7所示。采用静态前馈系数Kd=2.1的仿真框图进行仿真，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

扰动作用下的响应曲线，经过分析各种参数曲线，选取Td1=1、Td2=13.5较为合适。

图2.7时间常数整定的仿真框图

综合上述，各种参数选取Kd=2.1，Td1=1，Td2=13.5。

3 载热体流量控制系统仿真实验

选取Kd=2.1，Td1=1，Td2=13.5对系统进行仿真实验，系统在给定信号为10，扰动信号为3，被控对象加幅值为1的随机干扰下的仿真框图如图3.1所示，对其进行仿真，得到图3.2所示的响应曲线，依次为随机扰动、可测干扰信号、给定信号和输出信号的响应曲线。

3.1 载热体流量控制系统仿真框图

图3.1 载热体前馈—反馈控制系统的仿真框图

3.2载热体流量控制系统仿真响应曲线

图3.2 载热体前馈—反馈控制系统响应曲线

4 结语

仿真结果表明，SIMULINK 仿真软件具有可视化建模和图形输出的能力，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，因此非常适合载热体流量控制系统的仿真研究，并对换热器载热体流量控制系统的研究和设计具有重要的指导意义。

采用SIMULINK技术可快速建立换热器载热体控制系统仿真模型，并对每一子系统建立详细和简化的仿真模型，形成子系统模块库。本文重点建立了载热体前馈—反馈控制系统仿真模型，形成了PID模块库。仿真计算中应兼顾准确性及快速性，选择适当的仿真模型，并根据具体实践开发出新的仿真模型，不断丰富子系统模块库。因而，基于SIMULINK的载热体流量控制系统仿真模型具有很强的开放性和可移植性，可以形成直观的仿真模型，模型搭建高效、快捷，对换热器的设计、优化控制及工况的预测具有重要意义。但是，换热器载热体控制系统在建立数学模型的过程中，不可避免地忽略了一些次要因素和对模型进行了简化；SIMULINK模块库中的有些模块算法精度不高，不能满足专业需求。因而，基于SIMULINK的载热体动态仿真实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技术的优势，根据换热器的具体特性，开发出适合换热器仿真的专业模块，兼顾仿真结果的准确性和快速性，根据不同需求调用不同模块，使得仿真更准确地反映换热器的实际过程，为实际工作提供定性分析及决策支持。

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