1、 西華大學課程設計說明書成績 課程設計名稱： 過程控制系統應用系統課程設計 題 目： 換熱器前饋-反饋復合控制系統設計 學 生 姓 名： 唐梓晞 專 業： 電氣工程與自動化 學 號： 312011080608320 指 導 教師： 侯思穎 日期： 年 月 日2換熱器前饋-反饋復合控制系統設計摘要：使熱量從熱流體傳遞到冷流體的設備稱為換熱設備。換熱設備廣泛應用于煉油、化工、輕工、制藥、機械、食品 、加工、動力以及原子能工業部門當中。隨著時代的發展進步，工業生產對設備的要求的提高，單回路的已經不能滿足社會發展的需求。本設計通過對3種方案的比較，選擇最優的復合控制系統，前饋反饋復合控制系統綜合了反饋

2、控制和前饋控制的優點，彌補了它們的缺點，因而前饋反饋復合控制系統得到了廣泛的應用。接著對選擇的方案進行具體設計。最后給出此方案的參數整定結果。關鍵詞：換熱器 控制系統 參數整定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 industry, light industry, machinery, pharmaceutical, food,

3、 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 comparison of the 3 Schemes for the design, selection

4、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. Then the selection scheme for the specific design

5、. Finally, the scheme of parameter tuning results.Keywords: heat exchanger control system parameter setting目 錄1 前言12 總體設計方案22.1 控制方案的論證22.1.1 方案一：反饋控制系統22.1.2 前饋控制系統3 2.1.3 前饋-反饋復合控制系統32.2 控制系統的方案比較42.3 控制系統方案的選擇53 換熱器前饋-反饋復合控制系統63.1 前饋-反饋復合控制分析63.2 換熱器前饋-反饋復合控制系統設計73.2.1 調節閥的氣開,氣關方式的選擇73.2.2 調節器的正反

6、作用選擇74換熱器前饋-反饋復合控制系統的參數整定94.1 調節器分析94.2 復合控制系統整定方法104.2.1前饋-反饋控制系統整定方法介紹104.2.2 廣義頻率特性法104.2.3 衰減曲線法104.3 參數整定工具114.3.1 MATLAB軟件的簡要知識簡介114.3.2 Simulink的使用135 系統仿真圖136 設計總結171 前言換熱器作為工藝過程中必不可少的單元設備，廣泛地應用于石油、化工、動力、輕工、機械、冶金、交通、制藥等工程領域中。據統計，在現代石油化工企業中換熱器投資約占裝置建設總投資的 30%40%；在合成氨廠中，換熱器約占全部設備總臺數40%。由此可見，換熱

7、器對整個企業的建設投資及經濟效益有著重要的影響。化工生產中所指的換熱器，常指間壁式換熱器，它利用金屬壁將冷、熱兩種流體間隔開，熱流體將熱傳到避面的一側（對流傳熱），通過間壁內的熱傳導，再由間壁的另一側將熱傳遞給冷流體，從而使熱物流被冷卻，冷物流被加熱，滿足化工生產中對冷物流或熱物流溫度的控制要求。本設計的要求首先設計合理的前饋控制系統，再選擇閥門的氣開，氣關類型，調節器的正反作用，進行調節器的參數整定。并且與單回路控制系統作比較，得出結論。最后在系統動態Simulink搭建仿真圖，得出相應的結論。02 總體設計方案2.1 控制方案的論證 閉環控制有反饋環節，從輸出量變化取出控制信號作為比較量反

8、饋給輸入端控制輸入量，一般這個取出量和輸入量相位相反，所以叫負反饋控制。通過反饋系統使系統的精確度提高,響應時間縮短,適合于對系統的響應時間,穩定性要求高的系統。自動控制通常是閉環控制,而閉環控制又包含有單回路控制和復合控制等。 2.1.1 方案一：反饋控制系統 熱交換器及其溫度反饋控制系統，加熱蒸汽通過熱交換器，將熱量傳給排管內流過的被加熱物料。物料的出口溫度y（t）為被控參數，用蒸汽管路上的調節閥進行控制。引起物料出口溫度變化的干擾有冷物料的流量f（t）與入口溫度q1，蒸汽壓力ph等。a） 控制系統流程圖b） 控制系統框圖 2.1.2 前饋控制系統 若主要的干擾是冷物料的的流量f（t），其

9、實干擾基本不變時。可采用前饋控制系統，直接根據冷物料流量f（t）的變化，通過一個前饋控制器FC直接控制調節閥。這樣，可以在物料出口溫度變化之前，及時對流量f(t)這一主要干擾進行補償，即前饋控制。a） 控制系統流程圖b） 控制系統框圖 2.1.3 前饋-反饋復合控制系統 當冷物料流量f（s）發生變化時，前饋控制器Gb（s）及時發出控制指令，補償冷物料流量f（s）變化對換熱器出口溫度y（s）的影響；而冷物料溫度q1（s）、蒸汽壓力ph（s）等擾動對物料出口溫度y（s）的影響，則由反饋控制器Gc（s）來克服。a） 控制系統流程圖 b） 控制系統框圖2.2 控制系統的方案比較方案一反饋系統是按偏差進

10、行控制來消除偏差的。被控量直接可測，調節器隨著偏差的出現才開始動作。閉環調節，存在穩定性的問題，系統可感受所有影響輸出的擾動，可消除反饋環之內各種擾動的干擾，不能保證系統有較高的控制質量。方案二前饋控制的特點是擾動補償。在擾動還未影響輸出以前，直接改變操作變量，以使輸出不受或少受外部擾動的影響，前饋控制在實際工業過程中的干擾很多，不可能對每個干擾設計一套獨立的檢測裝置和前饋控制器，而補償結果沒有檢測手段，受前饋控制模型精度限制。方案三是把前饋控制和反饋控制結合起來的，(1)系統綜合了反饋控制和前饋控制的優點，彌補了它們的缺點，因而前饋反饋復合控制系統得到了廣泛的應用；(2)引入前饋補償沒有影響

11、系統的穩定性；(3)引入反饋控制后，前饋控制中的完全補償條件并沒有改變。2.3 控制系統方案的選擇 與方案一，二相比方案三一方面利用前饋控制及時有效的特點，減少主要干擾對被控參數的影響；前饋控制的作用是對主要的擾動信號進行完全補償，可以針對主要的擾動信號，設計相應的前饋控制器；另一方面，引入反饋控制，是為了使系統能克服所有擾動信號對被調量產生的影響；因為除了已知的主要的擾動信號以外，系統中還存在其它的擾動信號，這些擾動信號對被調量的影響比較小，有的是我們能夠考慮到的，有的我們根本就考慮不到或無法測量，都通過反饋控制加以克服，利用反饋控制抑制各種干擾的優勢，克服了其他干擾的影響，使被控參數穩定在

12、設定值上，保證了控制系統有較高的控制質量，同時也降低了對前饋控制器的要求，便于工程上的實現。綜上所述，本設計選擇方案三的前饋-反饋復合控制系統。173 換熱器前饋-反饋復合控制系統3.1 前饋-反饋復合控制分析 前饋反饋復合控制系統：系統中既有針對主要擾動信號進行補償的前饋控制，又存在對被調量采用反饋控制以克服其它的擾動信號，這樣的控制系統就是前饋反饋復合控制系統。工程實際中，為了克服單純前饋控制的局限性，獲得良好的控制品質，產生了前饋-反饋控制系統，即在反饋控制系統的基礎上附加一個或者幾個主要擾動的前饋控制，又稱復合控制。這樣，依靠反饋控制來使系統在穩態能準確的使被調量等于給定值，而在動態過

13、程中則利用前饋控制有效的減少被調量的動態偏差。所以，相對于單純的前饋控制和反饋控制，復合控制具有以下優點：1）前饋控制與反饋控制組合使用，有利于對主要干擾進行前饋補償和對其他干擾進行反饋調節，保證控制精度。2）由于增加了反饋回路，降低了對前饋控制的精度要求，有利于簡化前饋控制的設計和實現。3）在單純的反饋控制系統中，提高控制精度與系統穩定性是一對矛盾，往往為保證系統的穩定性而無法實現高精度的控制。而前饋-反饋控制系統即可實現高精度控制，又能保證系統穩定運行，因而在一定程度上解決了穩定性與控制精度之間的矛盾。在前饋-反饋復合控制系統中，設定值X(s),干擾F（s）對輸出Y（s）的影響為 Y(s)

14、 = 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）要前饋補償實現對干擾Y(s)的完全補償，上式的第二項應當為零，則有:Gf(s) + G0(s)Gv(s)Gb(s)Gm(S) = 0即Gb（S） = Gf（s） / Gc（s）Gv（s）Gm（s ）3.2 換熱器前饋-反饋復合控制系統設計3.2.1 調節閥的氣開,氣關方式的選擇氣開、氣關的選擇原則是：從工藝生產安全考慮，一旦系統發生故障、信號中斷時，調節閥的開關狀態應能保證工藝設備和操作人員的安全。如果

15、控制信號中斷時，閥處于打開位置危害性小，則應選用氣關式調節閥；反之，若閥處于關閉位置時危害性小，則應選用氣開閥。在復合控制系統中，從生產工藝安全出發，蒸汽調節閥應選用氣開式，即一旦出現故障或氣源斷氣，調節閥應完全關閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備的安全。3.2.2 調節器的正反作用選擇 調節器的輸出決定于被控參數的測量值與設定值之差，被控參數的測量值與設定值變化，對輸出的作用方向是相反的。當設定值不變時隨著測量值的增加，調節器的輸出也增加，則稱為正作用方式；同樣，當測量值增加，或設定值減小時，調節器輸出減小，則為反作用方式。對于如何確定調節器的正反作用我簡略的歸納為一下三點：(1)根據工藝確

16、定調節閥的氣開、氣關形式。確定對象的正負特性：當控制量增加，被控參數隨之增加則為“+”，反之為“-”。(2)根據負反饋原則，確定調節器的正反作用：執行器（+ -）*對象(+ -)*調節器（+ -）=“-”。由上面的原則可以確定加換熱器主副調節器的正反作用。對于副調節器，當換熱器溫度升高時，測量信號增大故為“+”，由于調節閥為氣開式也為“+”，為保證副回路為負反饋，故副調節器應為“-”，反作用方式。(3)對于主調節器，當被加熱物料出口溫度增加，物料出口溫度也增加故為“+”，為滿足負反饋，主調節器也為反作用方式。3.2.3 控制規律的選擇 對于PI調節系統可以歸納以下幾點：1） 采用PI調節的能消

17、除被調量的靜態偏差，達到無靜差調節的目的，這是此類調節系統的主要優點。2） 如果按調節器上設置的和Ti調節系統，可以用來調整主要的振蕩成分的衰減率，是調整主要非周期成分的衰減速度。 根據PI調節器的調節規律和調節過程的特點，在進行換熱器復合控制系統的設計就利用PI調節器的這幾個特點，所以在系統的反饋通道中采用PI調節器。4換熱器前饋-反饋復合控制系統的參數整定 前饋-反饋控制系統中有兩個調節器，整定原則是反饋反饋回路前饋通道要分別整定。 4.1 調節器分析1前饋調節器整定在整定前饋裝置時，不考慮反饋控制所引起的穩定性問題，只考慮利用前饋作用來直接抵消干擾的影響，而使被調量不變化。實際生產過程中

18、并不嚴格要求把擾動作用的影響全部抵消，只要求剩余的擾動作用對被調量的影響不要太大，而且在前饋-反饋系統中，由于已經有了反饋控制作用，故加入前饋作用的目的是進一步減小被調量的動態偏差。因此，可以粗略的求出Gb（s）的近似值，一般只用比例環節或一階環節，既便于實現又能顯著的減少被調量的動態偏差。 2反饋調節器整定 在整定復合控制系統中的反饋回路時，就是對由反饋調節器的傳遞函數，控制通道的傳遞函數組成的閉合回路，按單回路系統的整定方法來調節反饋調節器的傳遞函數的整定參數，以使閉合回路有適當的穩定性裕量，而不必考慮前饋部分。由于被調量的動態偏差已由前饋控制作用大為減少，因此，在整定反饋回路時就可以適當

19、地提高系統的穩定性裕量，以減少調節過程的震蕩傾向。總而言之，在前饋-反饋控制系統中，由于有了反饋控制來保證被調量最終等于給定值，可降低前饋控制要求，使前饋調節器可以選用比較簡單的動態特性和結構形式；另一方面，由于有了前饋來抵消某些主要擾動，使被調量不至于出現過大的動態偏差，因此反饋控制可以較慢地進行。4.2 復合控制系統整定方法4.2.1前饋-反饋控制系統整定方法介紹前饋-反饋復合回路中調節器參數整定的方法很多，歸納起來可以分為兩大類：理論計算整定法和工程整定法。理論計算法就是廣義頻率特性法；工程整定方法包括臨界比例帶法，衰減曲線法，經驗法和動態參數法，因為后兩者的工作量比較大，運算比較復雜，

20、一般不用這兩種方法來整定參數。下面我們簡單介紹一下廣義頻率特性法和衰減曲線法。4.2.2 廣義頻率特性法廣義頻率特性法是通過調整調節器的動態參數，使控制系統的開環頻率特性變成具有規定相對穩定度的衰減頻率特性，從而使閉環系統響應滿足規定衰減率的一種參數整定方法。用廣義頻率特性法整定調節器參數，就是再已知廣義對象的傳遞函數吼，計算出具有規定的衰減率下調節器的整定參數值。利用廣義頻率特性法計算調節器參數，其前提是獲得對象的傳遞函數，另外，該方法計算工作量大，因此常用工程整定方法加以實現。4.2.3 衰減曲線法衰減曲線法是在總結臨界比例帶法基礎上發展起來的，它是利用比例作用下產生的4:1衰減振蕩過程時

21、調節比例帶，即過程衰減周期時間t，根據經驗公式計算出調節器的各個參數。衰減曲線法的具體步驟 1）置調節器的積分時間Ti到無窮大，微分時間Td 到0，比例帶為稍大的值；將系統投入閉環運行2) 在系統處于穩定狀態后作階躍擾動實驗，應觀察控制過程。如果過度過程衰減率大于0.75，應逐步減小比例帶值，并再次實驗，直到過渡過程曲線出現4：1的衰減過程。3）按計算結果設置好調節器的各個參數，作階躍擾動實驗，觀察調節過程，適當修改調節器參數，到滿意為止。與臨界比例帶法一樣，衰減曲線法也利用了比例作用下的調節過程。4.3 參數整定工具 本次設計使用的工具是MATLAB的simulink組件。4.3.1 MAT

22、LAB軟件的簡要知識簡介 控制系統的計算機仿真是一門涉及到控制理論，計算機數學與計算機技術的綜合性新型學科。這門學科的產生和發展差不多是與計算機的發明及發展同步進行的。計算機仿真是用來幫助設計人員進行設計的一種新技術。它包含控制系統分析，綜合，設計，檢驗等多方面的計算機處理。計算機仿真基于計算機的高速而精確的運算，以實現各種功能。MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能

23、集成在一個易于使用的視窗環境中，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。    MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數學軟件。它在數學類科技應用軟件中在數值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連  matlab開發工作界面接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB具有以下六個特點：1.編程效率高。用MATLAB編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題，MATLAB語言也可通俗地稱為演算紙式的科學算

24、法語言。由于它編寫簡單，所以編程效率高，易學易懂。2. 用戶使用方便。MATLAB語言把編輯、編譯、連接和執行融為一體，其調試程序手段豐富，調試速度快 ，需要學習時間少。它能在同一畫面上進行靈活操作快速排除輸入程序中的書寫錯誤、語法 錯誤以至語意錯誤，從而加快了用戶編寫、修改和調試程序的速度，可以說在編程和調試過程中它是一種比VB還要簡單的語言。3擴充能力強。高版本的MATLAB語言有豐富的庫函數，在進行復雜的數學運算時可以直接調用，而且MATLAB的庫函數同用戶文件在形成上一樣，所以用戶文件也可作為MATLAB的庫函數來調用。因而，用戶可以根據自己的需要方便地建立和擴充新的庫函數，以便提高M

25、ATLAB使用效率和擴充它的功能。4語句簡單，內涵豐富。MATLAB語言中最基本最重要的成分是函數，其一般形式為(a，6，c)= fun（d，e ，f，），即一個函數由函數名，輸入變量d，e，f，和輸出變量a，b，c .組成，同一函數名F，不同數目的輸入變量（包括無輸入變量）及不同數目的輸出變量，代表著不同的含義。這不僅使MATLAB的庫函數功能更豐富，而大大減少了需要的磁盤空間，使得MATLAB編寫的M文件簡單、短小而高效。5高效方便的矩陣和數組運算。MATLAB語言像Basic、Fortran和C語言一樣規定了矩陣的一系列運算符，它不需定義數組的維數，并給出矩陣函數、特殊矩陣專門的庫函數，

26、使之在求解諸如信號處理、建模、系統識別、控制、優化等領域的問題時，顯得大為簡捷、高效、方便，這是其它高級語言所不 能比擬的。6方便的繪圖功能。MATLAB的繪圖是十分方便的，它有一系列繪圖函數（命令），使用時只需調用不同的 繪圖函數（命令），在圖上標出圖題、XY軸標注，格繪制也只需調用相應的命令，簡單易行。另外，在調用繪圖函數時調整自變量可繪出不變顏色的點、線、復線或多重線。4.3.2 Simulink的使用Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統數字控制及數字信號

27、處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統，也就是系統中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創建動態系統模型， Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果。Simulink是用于動態系統和嵌入式系統的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統，Simulink提供了交互式圖形化環境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執行和測試。.構架在Simulink基礎之上的其他產品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創建、建模環境的定制以及信號參數和測試數據的定義。打開simulink的方法是在MATLAB命令窗口中輸入simulink，結果是在桌面上出現一個稱為Simulink Library Browser的窗口，