過程控制畢設(shè)答辯

（優(yōu)選）過程控制畢設(shè)答辯目前一頁\總數(shù)三十六頁\編于九點1.研究背景及意義2.換熱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

3.換熱器的反饋-前饋控制4.模糊自整定PID及仿真5.致謝目前二頁\總數(shù)三十六頁\編于九點1.研究背景及意義

換熱器是大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的傳熱設(shè)備，也是重要的節(jié)能設(shè)備。它在動力、冶金、煉油、化工、電力、制冷、建筑、重型機械制造、航空、原子能、食品和醫(yī)藥等部門應(yīng)用廣泛，并占有十分重要的地位。換熱器作為一種利用能源與節(jié)約能源的重要設(shè)備。其作用表現(xiàn)在兩個方面：一是在生產(chǎn)工藝流程中使用著大量的換熱器，提高這些換熱器的效率，顯然可以減少能源的消耗；二是用換熱器來回收工業(yè)余熱，可以顯著地提高設(shè)備的熱效率。目前三頁\總數(shù)三十六頁\編于九點

如今對能源利用、開發(fā)、節(jié)約的要求不斷提高，因而不僅對換熱器性能的要求日益加強，而且對換熱器過程控制品質(zhì)要求也不斷增加。因此，控制好換熱器出口介質(zhì)的溫度具有極其重要的意義。目前四頁\總數(shù)三十六頁\編于九點2.換熱系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

建立換熱器出口溫度的控制模型，能夠幫助分析換熱器出口溫度與進出口流量和進出口溫度等之間的關(guān)系。換熱器模型為控制系統(tǒng)的分析和制定方案做準備。圖2-1換熱器的基本原理目前五頁\總數(shù)三十六頁\編于九點

換熱器的靜態(tài)特性分析對象的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是指在穩(wěn)定條件下對象的輸出變量與輸入變量之間的函數(shù)關(guān)系。對于圖2-1中列管式換熱器，假定G1為冷流體的流量，G2為熱流體流量。T1i、T2i分別為冷流體和熱流體的入口溫度，T1o為冷流體的出口溫度和T2o為熱流體的出口溫度，而為冷流體的比熱容，熱流體的比熱容。根據(jù)換熱器兩側(cè)不發(fā)生相變，可得到熱量平衡方程式為：

(2-1)

傳熱速率方程式由傳熱定理可知，熱流體向冷流體的傳熱速率應(yīng)為:

(2-2)

目前六頁\總數(shù)三十六頁\編于九點式中:K—傳熱系數(shù)，kcal/(℃·m2·h)(1cal=4.18J)F—傳熱面積，m2△T—平均溫差，℃對于逆流、單程換熱器的對于對數(shù)平均值:(2-3)式中:在多數(shù)情況下，或在1/3～3之間時，可采用算術(shù)平均值代替對數(shù)平均值，它的誤差在5%以內(nèi)。算術(shù)平均值為:目前七頁\總數(shù)三十六頁\編于九點

(2-4)

經(jīng)整理可得：

(2-5)換熱器的靜態(tài)增益K(l)冷流體入口溫度T1i對出口溫度T1o的影響(2-6)

式(2-6)表明，與之間為線性關(guān)系，靜態(tài)增益K小于1的常數(shù)。目前八頁\總數(shù)三十六頁\編于九點(2)熱流體入口溫度T2i對出口溫度T1o的影響

熱流體流量G2對出口溫度的影響如下：1）隨著熱流體流量的增大，通道的靜態(tài)放大增益K的數(shù)值減小，即出口溫度增大；(2-7)式(2-9)表明,與之間也為線性關(guān)系。熱流體溫度升高出口溫度也升高。(3)熱流體流量G2對其出口溫度T1o的影響

(2-8)目前九頁\總數(shù)三十六頁\編于九點2）當G2C2較大時，曲線呈飽和特性，此時熱流體流量的變化對出口溫度影響很小。

(4)冷流體流量G1對熱流體出口溫度T1o的影響

其結(jié)果與式(2-8)相似，為一復(fù)雜的非線性關(guān)系。隨著冷流體的流量增大，通道增益的數(shù)值減小，及冷流體的流量增大時，當供給熱量不變，則流體出口溫度會降低；通道特性曲線具有飽和非線性。換熱器的動態(tài)特性

換熱器動態(tài)特性比較復(fù)雜，它的兩側(cè)流體充分均勻混合后可近似為集中參數(shù)，如不是則安分布式處理。分布式參數(shù)的變量是時間、空間的函數(shù)。它的變化規(guī)律要用偏微分方程來表示。

目前十頁\總數(shù)三十六頁\編于九點

建立分布參數(shù)對象的數(shù)學(xué)模型，是從熱量動態(tài)平衡方程入手。但我們這時必須取一微元來分析問題，還要假設(shè)這一微元中各點溫度相同。

先分析流體1的熱量動態(tài)平衡。對流體1去一段微元，這一微元的熱量動態(tài)平衡方程可敘述為:

(單位時間內(nèi)流體1帶入微元的熱量)+(單位時間內(nèi)流體2傳給流體1微元的熱量)-(單位時間內(nèi)流體1離開微元所帶走的熱量)=流體1微元內(nèi)蓄熱量的變化率，即:式中，=z/L，L為換熱器的總長度;A—內(nèi)管的圓周長；—微元的表面積;M1—流體1單位長度的流體質(zhì)量;—微元的質(zhì)量。(2-9)目前十一頁\總數(shù)三十六頁\編于九點作適當?shù)恼?，?

(2-10)

時間和空間的邊界條件表達式為:(2-11)

熱流體流量G2冷流體流量G1對冷流體出口溫度T1o的影響，即通道特性。如用傳遞函數(shù)來描述，可為:、(2-12)目前十二頁\總數(shù)三十六頁\編于九點

假設(shè)載熱體的被控對象動態(tài)特性和干擾通道的傳遞函數(shù)分別為：G

(2-13)(2-14)

目前十三頁\總數(shù)三十六頁\編于九點3.換熱器的反饋-前饋控制

反饋控制系統(tǒng)整定

由于采用的反饋控制器為PI形式。因此我們采用階躍響應(yīng)法來整定PI參數(shù)。用開環(huán)階躍響應(yīng)并在simulink中進行仿真，仿真框圖如圖3-1所示。單位階躍響應(yīng)曲線如圖3-2.

圖3-1開環(huán)階躍響應(yīng)simulink框圖目前十四頁\總數(shù)三十六頁\編于九點圖3-2單位階躍響應(yīng)曲線Z-N階躍響應(yīng)法利用Z-N階躍響應(yīng)法求得

Kp=0.029,Ki=0.009。

目前十五頁\總數(shù)三十六頁\編于九點反饋控制的仿真圖3-3換熱器反饋控制simulink框圖在框圖中要設(shè)置PID參數(shù)，延遲時間，傳函等。在simulink設(shè)置PID參數(shù)，延遲時間，傳函等。目前十六頁\總數(shù)三十六頁\編于九點圖3-4反饋控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線目前十七頁\總數(shù)三十六頁\編于九點前饋控制

圖3-5靜態(tài)前饋系數(shù)Kd整定的仿真框圖目前十八頁\總數(shù)三十六頁\編于九點圖3-6閉環(huán)整定Kd的仿真框圖=

目前十九頁\總數(shù)三十六頁\編于九點圖3-7靜態(tài)前饋系數(shù)整定過程曲線分別取Kd=1.5、Kd=1、Kd=0、Kd=-2.5、Kd=-5通過圖3-7整定過程曲線及對選取的參數(shù)分析得Kd=-2.5時補償合適。雖然控制系統(tǒng)的干擾較強，但經(jīng)過靜態(tài)前饋的補償之后，所受影響延時降低，及時性提升，相比于反饋控制時的響應(yīng)已明顯得到改善。目前二十頁\總數(shù)三十六頁\編于九點圖3-8基于反饋整定的動態(tài)前饋時間常數(shù)整定simuliink框圖目前二十一頁\總數(shù)三十六頁\編于九點圖3-9動態(tài)前饋參數(shù)T1=T2=1時得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線目前二十二頁\總數(shù)三十六頁\編于九點圖3-10調(diào)節(jié)T1、T2過程得到的系統(tǒng)響應(yīng)曲線目前二十三頁\總數(shù)三十六頁\編于九點

圖3-10依次取T1=1，T2=15;T1=1，T2=10;T1=1，T2=7;T1=1，T2=6;T1=1，T2=5;T1=2，T2=1;T1=5，T2=1。通過逐步減小T2,增大T1來選取最優(yōu)參數(shù)。從圖中可知當T1過大時前饋對系統(tǒng)過度補償，比T1=T2=1時的控制結(jié)果差。根據(jù)響應(yīng)曲線比較后取T1=1,T2=6。T1<T2采用動態(tài)滯后補償作用，對系統(tǒng)的控制效果比較好。由圖3-12T1=1,T2=6時的仿真結(jié)果可以看出，雖然系統(tǒng)所受干擾較強，但通過反饋前饋的共同控制，系統(tǒng)的響應(yīng)能力增強，超調(diào)量得到改善，結(jié)果較為理想。目前二十四頁\總數(shù)三十六頁\編于九點反饋與反饋-前饋控制結(jié)果的比較圖3-11反饋與前饋-反饋比較simulink仿真框圖目前二十五頁\總數(shù)三十六頁\編于九點圖3-12反饋與前饋-反饋算法下的響應(yīng)曲線

目前二十六頁\總數(shù)三十六頁\編于九點從圖3-12可知在前饋-反饋中，超調(diào)量、響應(yīng)時間、震蕩等因素都有了大幅改善。前饋-反饋系統(tǒng)能夠很好的改善、消除干擾帶來的影響，消除遲滯而且能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。是系統(tǒng)的響應(yīng)更快，精確度更高。目前二十七頁\總數(shù)三十六頁\編于九點4.模糊自整定PID及仿真

參數(shù)自整定模糊-PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4-1參數(shù)自整定模糊-PID控制原理圖目前二十八頁\總數(shù)三十六頁\編于九點在Matlab里通過對模糊控制器的語言變量設(shè)置、定義輸入輸出的隸屬函數(shù)、模糊規(guī)則的設(shè)定、確定量化因子來設(shè)計模糊-PID.表4-1KP的模糊規(guī)則表表4-1KP的模糊規(guī)則表ECE

KpNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPMPMPSZOZONMPBPBPMPSPSZONSNSPMPMPMPSZONSNSZOPMPMPSZONSNMNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNMNMNMNBPBZOZONMNMNMNBNB目前二十九頁\總數(shù)三十六頁\編于九點表4-2Ki的模糊規(guī)則表ECE

Ki NBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSZOZONMNBNBNMNSNSZOZONSNBPMNSNSZOPSPSZONMNMNSZOPSPMPMPSNMNSZOPSPSPMPBPMZOZOPSPSPMPBPBPBZOZOPSPMPMPBPB目前三十頁\總數(shù)三十六頁\編于九點圖4-2模糊自整定PID仿真框圖目前三十一頁\總數(shù)三十六頁\編于九點當比例控制器的量化因子取0.1，積分控制器量化因子取0.05時效果不佳，經(jīng)比較設(shè)定后在量化因子分別為0.5和0.005時效果最佳。圖4-3模糊自整定PID與PID算法下的溫度曲線

目前三十二頁\總數(shù)三十六頁\編于九點圖4-4模糊自整PID加前饋與PID仿真框圖目前三十三頁\總數(shù)三十六頁\編于九點圖4-5模糊自整PID加前饋與PID算法下的溫度曲線目前三十四頁\總數(shù)三十六頁\編于九點圖4-6模糊PID加前饋與PID與前饋算法下的溫度曲線由圖4-6可知模糊PID加前饋的控制要優(yōu)于前饋-反饋的控制效果，但優(yōu)越性不明顯.

目前三十五頁\總數(shù)三十六頁\編于九點5.致謝

首先要感謝我的導(dǎo)師王軼卿老師