冷凝器溫度前饋-反饋控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

1、精品遼寧工業(yè)大學(xué)開放性實驗報告題目冷凝器溫度前饋-反饋控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真院（系）： 專業(yè)班級: 學(xué) 號: 學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：（簽字）起止時間：2015.11.19 2015.11.22遼寧工業(yè)大學(xué)實驗室開放項目任務(wù)書2015/2016 學(xué)年第一學(xué)期實驗項目冷凝器溫度前饋一反饋控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真所在單位實驗類型科學(xué)研究 J自擬課題J綜合設(shè)計計算機(jī)應(yīng)用其它指導(dǎo)教師實驗時數(shù)招收對象1=招收人數(shù)研究意義：1. 掌握復(fù)合控制系統(tǒng)的原理。2. 掌握反饋控制器的設(shè)計方法。3.掌握前饋控制器的設(shè)計方法，提高學(xué)生分析系統(tǒng)和設(shè)計系統(tǒng)的實踐項目技能。研究4.提高學(xué)生的計算機(jī)應(yīng)用能力，掌握 MATLAB語言的使用及

2、編程方法。的意5.訓(xùn)練學(xué)生編寫程序及聯(lián)機(jī)調(diào)試程序的能力，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊合作精義及神。內(nèi)容6為學(xué)生今后從事自動控制工作奠定理論和實踐基礎(chǔ)。內(nèi)容：分析前饋-反饋控制的原理；對被控對象和擾動通道的傳遞函數(shù)的延遲環(huán)節(jié)進(jìn)行近似處理；根據(jù)設(shè)計要求完成反饋控制器和前饋控制器的設(shè) 計，并用Simulink仿真驗證設(shè)計結(jié)果的正確性。控制系統(tǒng)的參數(shù)和要求如下：1.被控對象的傳遞函數(shù)為0.94-8s控制G0(S)-e ；55s 十1要求2.擾動通道的傳遞函數(shù)為Gf(s) 弋 es ；41s + 13.設(shè)計要求：階躍給定響應(yīng)超調(diào)量小于50%，階躍擾動對系統(tǒng)無影響。注：此表用于申請教學(xué)計劃外的開放項目，請如實填寫，由各院

3、（系）匯總后統(tǒng)辦理，報實踐教學(xué)科一份感謝下載載精品目錄第 1 章 緒論 1第 2章 控制方案介紹 32.1 概述 32.2 控制原理 32.3 實驗內(nèi)容 4第 3 章 系統(tǒng)設(shè)計與仿真 53.1 處理延遲環(huán)節(jié) 53.2 反饋控制系統(tǒng)設(shè)計 63.3 前饋控制系統(tǒng)設(shè)計 8第 4 章 課程設(shè)計總結(jié) 1.2感謝下載載精品第1章緒論冷凝器(Co nde nser)空調(diào)系統(tǒng)的機(jī)件，能將管子中的熱量，以很快的方式， 傳到管子附近的空氣，大部分的汽車置于水箱前方。把氣體或蒸氣轉(zhuǎn)變成液體的 裝置。發(fā)電廠要用許多冷凝器使渦輪機(jī)排出的蒸氣得到冷凝；在冷凍廠中用冷凝 器來冷凝氨和氟利昂之類的致冷蒸氣。石油化學(xué)工業(yè)中用冷

4、凝器使烴類及其他化 學(xué)蒸氣冷凝。在蒸餾過程中，把蒸氣轉(zhuǎn)變成液態(tài)的裝置稱為冷凝器。所有的冷凝 器都是把氣體或蒸氣的熱量帶走而運轉(zhuǎn)的。對某些應(yīng)用來說，氣體必須通過一根長長的管子(通常盤成螺線管)，以便 讓熱量散失到四周的空氣中，銅之類的導(dǎo)熱金屬常用于輸送蒸氣。為提高冷凝器 的效率經(jīng)常在管道上附加散熱片以加速散熱。散熱片是用良導(dǎo)熱金屬制成的平板。 這類冷凝器一般還要用風(fēng)機(jī)迫使空氣經(jīng)過散熱片并把熱帶走。一般制冷機(jī)的制冷 原理壓縮機(jī)的作用是把壓力較低的蒸汽壓縮成壓力較高的蒸汽，使蒸汽的體積減 小，壓力升高。壓縮機(jī)吸入從蒸發(fā)器出來的較低壓力的工質(zhì)蒸汽，使之壓力升高后送入冷凝 器，在冷凝器中冷凝成壓力較高的

5、液體，經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流后，成為壓力較低的液體 后，送入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)而成為壓力較低的蒸汽，從而完成制冷循 環(huán)。液體制冷劑在蒸發(fā)器中吸收被冷卻的物體熱量之后，汽化成低溫低壓的蒸汽、 被壓縮機(jī)吸入、壓縮成高壓高溫的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷卻介質(zhì)(水 或空氣)放熱，冷凝為高壓液體、經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流為低壓低溫的制冷劑、再次進(jìn)入蒸 發(fā)器吸熱汽化，達(dá)到循環(huán)制冷的目的。這樣，制冷劑在系統(tǒng)中經(jīng)過蒸發(fā)、壓縮、 冷凝、節(jié)流四個基本過程完成一個制冷循環(huán)。制冷劑包括：氟里昂12(CF2CI2)代號R12氟里昂12是一種無色、無臭、 透明、幾乎無毒性的制冷劑，但空氣中含量超過 80%時會引起人的窒息。氟里昂

6、 12不會燃燒也不會爆炸，當(dāng)與明火接觸或溫度達(dá)到400 C以上時，能分解出對人 體有害的氟化氫、氯化氫和光氣(CoCI2) 0R12是應(yīng)用較廣泛的中溫制冷劑，適用于中小型制冷系統(tǒng)，如電冰箱、冰柜等。R12能溶解多種有機(jī)物，所以不能使用一般的橡皮墊片(圈)，通常使用氯丁二烯人造橡膠或丁睛橡膠片或密封圈。氟 里昂22(CHF2CI)代號R22 R22不燃燒也不爆炸，其毒性比R12稍大，水的溶解 度雖比R12大，但仍可能使制冷系統(tǒng)發(fā)生“冰塞”現(xiàn)象。R22能部分地與潤滑油 互相溶解，其溶解度隨著潤滑油的種類及溫度而改變，故采用R22的制冷系統(tǒng)必須有回油措施。R22在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的對應(yīng)蒸發(fā)溫度為-40

7、.8 C，常溫下冷凝 壓力不超過15.68 X105 Pa ,單位容積制冷量與比 R12大60%以上。在空調(diào)設(shè)備 中，大都選用R22制冷劑。四氟乙烷R134a（ ch2fcf3）代號R13是一種無毒無 污染安全性最高的制冷劑。TLV 1000pm,GWP 1300.廣泛應(yīng)用于制冷設(shè)備中。特 別是對制冷劑要求高的儀器中。蒸汽冷凝器這種冷凝常應(yīng)用于多效蒸發(fā)器末效二次蒸汽的冷凝，保證末效蒸 發(fā)器的真空度。例如噴淋式冷凝器，冷水從上部噴嘴噴入，蒸汽從側(cè)面入口進(jìn)入， 蒸汽與冷水充分接觸后被冷凝為水，同時沿管下流，部分不凝汽體也可能被帶出。 例如充填式冷凝器，蒸汽從側(cè)管進(jìn)入后一上面噴下的冷水相接觸冷凝器里

8、面裝了 滿了瓷環(huán)填料，填料被水淋濕后，增大了冷水與蒸汽的接觸面積，蒸汽冷凝成水 后沿下部管路流出，不凝氣體同上部管路被真空泵抽出，以保證冷凝器內(nèi)一定的 真空度。淋水板或篩板冷凝器，目的是增大冷水與蒸汽的接觸面積?；旌鲜嚼淠?器具有結(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高等優(yōu)點，腐蝕性問題也比較容易解決。在制冷系統(tǒng)中，蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)和節(jié)流閥是制冷系統(tǒng)中必不可少的 四大件，這當(dāng)中蒸發(fā)器是輸送冷量的設(shè)備。制冷劑在其中吸收被冷卻物體的熱量 實現(xiàn)制冷。壓縮機(jī)是心臟，起著吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用。冷凝器是 放出熱量的設(shè)備，將蒸發(fā)器中吸收的熱量連同壓縮機(jī)功所轉(zhuǎn)化的熱量一起傳遞給 冷卻介質(zhì)帶走。節(jié)流閥對制冷劑起節(jié)

9、流降壓作用、同時控制和調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器中 制冷劑液體的數(shù)量，并將系統(tǒng)分為高壓側(cè)和低壓側(cè)兩大部分。實際制冷系統(tǒng)中， 除上述四大件之外，常常有一些輔助設(shè)備，如電磁閥、分配器、干燥器、集熱器、 易熔塞、壓力控制器等部件組成，它們是為了提高運行的經(jīng)濟(jì)性，可靠性和安全 性而設(shè)置的。感謝下載載精品感謝下載載精品第2章控制方案介紹2.1概述采用前饋與反饋控制相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，既能發(fā)揮前饋控制對擾動的補(bǔ)償作用，又能保留反饋控制對偏差的控制作用，前饋-反饋控制結(jié)構(gòu)如圖2.1所示由圖2.1可知，前饋-反饋控制結(jié)構(gòu)是在反饋的基礎(chǔ)上，增加了一個擾動的前 饋控制，由于完全補(bǔ)償?shù)臈l件未變，因此仍有Gn ( s )G( s)

10、2.2控制原理前饋控制又稱擾動補(bǔ)償，它與反饋調(diào)節(jié)原理完全不同，按照引起被調(diào)參數(shù)變化的干 擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的。在這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)中要直接測量負(fù)載干擾量的變化，當(dāng)干擾剛剛出現(xiàn) 并能被測出時，調(diào)節(jié)器就能發(fā)出調(diào)節(jié)信號使調(diào)節(jié)量作相應(yīng)的變化使兩者在被調(diào)量發(fā)生偏 差之前抵消。因此，前饋調(diào)節(jié)對干擾的客服比反饋調(diào)節(jié)及時。但是前饋控制是開環(huán)控制, 其控制效果需要通過反饋加以檢驗。前饋控制器在測出擾動之后，過程的某種物質(zhì)或能量平衡條件計算出校正值。如果前饋支路出現(xiàn)擾動，經(jīng)過流量計測量之后，測量得到干擾的大小，然后在反饋支路通過調(diào)整調(diào)節(jié)閥開度，直接進(jìn)行補(bǔ)償，而不需要經(jīng)過調(diào)節(jié)器。因為在工業(yè)生產(chǎn)過程中，對被控量的調(diào)節(jié)要求有較高

11、精度，而且要有很強(qiáng)的抗擾動能力，因此在控制方案的選擇上，只是使用反饋控制無法實現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的控制。根據(jù)控制特點，需要引入前饋控制，實現(xiàn)前饋 -反饋控制。前饋控制系統(tǒng)在受控部位的活動發(fā)生偏差之前就發(fā)出控制指令了，反饋控制 系統(tǒng)感受到受控部位的活動發(fā)生偏差之后才發(fā)出控制指令。例如：當(dāng)體溫降低時 機(jī)體穩(wěn)態(tài)被打破，產(chǎn)熱反應(yīng)的強(qiáng)度相對偏低（即發(fā)生偏差。體溫降低之前機(jī)體穩(wěn)態(tài)尚未被打破產(chǎn)熱反應(yīng)的強(qiáng)度也尚未出現(xiàn)偏差，如果此時控制部位就開始發(fā)出指 令使產(chǎn)熱反應(yīng)增強(qiáng)，就是前饋控制。心臟和血管的活動出現(xiàn)了偏差，這種偏差的 結(jié)果導(dǎo)致血壓降低，感受器感受到血壓降低后，控制部位根據(jù)這一信息發(fā)出指令， 使血壓升高，就是（負(fù)）

12、反饋控制。2.3實驗內(nèi)容分析前饋一反饋控制的原理；對被控對象和擾動通道的傳遞函數(shù)的延遲環(huán)節(jié) 進(jìn)行近似處理；根據(jù)設(shè)計要求完成反饋控制器和前饋控制器的設(shè)計，并用 Simulink仿真驗證設(shè)計結(jié)果的正確性。感謝下載載精品第3章 系統(tǒng)設(shè)計與仿真控制系統(tǒng)的參數(shù)和要求如下：1. 被控對象的傳遞函數(shù)為Go(s.9es;55s+ 12. 擾動通道的傳遞函數(shù)為Gf (s)匹es ；41s+13. 設(shè)計要求：階躍給定響應(yīng)超調(diào)量小于 50%，階躍擾動對系統(tǒng)無影響3.1處理延遲環(huán)節(jié)為了便于計算將Go(s)與Gf(s)中的延遲環(huán)節(jié)用pade()函數(shù)進(jìn)行近似處理，輸 入如下語句指令，如圖3.1所示Stidc |芥廠x|F

13、ilt Edit Vit* Ttxl Dtlu< Brtkkpointi Tai Window HtlpD為矚唱穆iqOj 如就 2);o2=tf (np£)r 郎D)昭/ dpf=pad» 2)；Gf2=tf(npfjpf)|11UntitledUntitled 2 m感謝下載載精品scriplLn 4 Col16圖3.1 MATLAB語句指令輸入指令后，點擊運行，得到了Go(s)與Gf(s)的傳遞函數(shù)，如圖3.2所示感謝下載載精品Co m mai nd Vfcindl ow»Tr £*tr fxuc < i on :xZ - O 7S s

14、 + . 1S7S壬亠2+. TS s +. 1S75Tr f fvuc < i on :- s + O. 3333h亠2 + » + . 3333» I感謝下載載精品Co m mai nd Vfcindl ow感謝下載載精品Co m mai nd Vfcindl ow3.2傳遞函數(shù)Go(S)的傳遞函數(shù)是Go(s)=0.9455s -1S2 -0.75s 0.1875 s2 0.75s 0.1875Gf(S)的傳遞函數(shù)是Gf (s)二1.0541s 1* s2 -s+0.3333s2 s 0.3333感謝下載載精品Co m mai nd Vfcindl ow感謝下載載

15、精品Co m mai nd Vfcindl ow3.2反饋控制系統(tǒng)設(shè)計同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。但反饋回路的引入增加了 系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當(dāng)時會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在 擾動變量可以測量時，也常同時采用按擾動的控制(即前饋控制)作為反饋控制 的補(bǔ)充而構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)是基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根 據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進(jìn)行控制，即通過比較系統(tǒng)行為(輸出)與期望行為之 間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸 入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成 一個閉合

16、的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動控 制的主要形式。在工程上常把在運行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系 統(tǒng)稱為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而把用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某種過程的反饋控制系統(tǒng)稱為 伺服系統(tǒng)或隨動系統(tǒng)。感謝下載載精品反饋控制系統(tǒng)由控制器、受控對象和反饋通路組成。比較環(huán)節(jié)用來將輸入與 輸出相減，給出偏差信號。這一環(huán)節(jié)在具體系統(tǒng)中可能與控制器一起統(tǒng)稱為調(diào)節(jié) 器。以爐溫控制為例，受控對象為爐子；輸出變量為實際的爐子溫度；輸入變量為給定常值溫度，一般用電壓表示。爐溫用熱電偶測量，代表爐溫的熱電動勢與給定 電壓相比較，兩者的差值電壓經(jīng)過功率放大后用來驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

17、進(jìn)行階躍給定響應(yīng)的仿真，其仿真結(jié)構(gòu)框圖，如圖 3.3所示。圖3.3反饋系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行系統(tǒng)階躍響應(yīng)仿真，并計算其性能指標(biāo)，輸入如下MATLAB程序:n仁0.94;d1=55 1;G 仁tf( n1,d1);tau=8; np,dp=pade(tau,2);Gp=tf( np,dp); n2=121.5 4.932;d2=24.63 0;G2=tf(n2,d2); Gc=feedback(G1*G2,Gp);set(Gc,'Td',tau); figure(1);step(Gc);hold on y,t=step(Gc);sigma,tp,ts=perf(1,y,t);ess,

18、b1,b2,sigma, n,pusi,T,f=targ(y,t); sys=feedback(G1*G2*Gp,1);t=0:0.01:500' figure(2);ess=ster(0,sys,t);ess=ster(1,sys,t);程序執(zhí)行后，可得到如圖3.4所示的階躍給定響應(yīng)曲線圖3.4階躍給定響應(yīng)曲線3.3前饋控制系統(tǒng)設(shè)計利用輸入或擾動信號的直接控制作用構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)。這類按輸入或擾 動的開環(huán)控制通常與包含按偏差的閉環(huán)控制共同組成反饋 -前饋控制系統(tǒng)，稱為復(fù) 合控制系統(tǒng)。由于按偏差確定控制作用以使輸出量保持其在期望值的反饋控制系 統(tǒng)，對于滯后較大的控制對象，其反饋控制作

19、用不能及時影響系統(tǒng)的輸出，以致 引起輸出量的過大波動，直接影響控制品質(zhì)。如果引起輸出量較大波動的主要外 擾動參量是可量測和可控制的，則可在反饋控制的同時，利用外擾信號直接控制 輸出（實施前饋控制），構(gòu)成復(fù)合控制能迅速有效地補(bǔ)償外擾對整個系統(tǒng)的影響， 并利于提高控制精度。這種按外擾信號實施前饋控制的方式稱為擾動控制，按不 變性原理，理論上可做到完全消除主擾動對系統(tǒng)輸出的影響。前饋控制系統(tǒng)利用輸入或擾動信號的直接控制作用構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)。這 類按輸入或擾動的開環(huán)控制通常與包含按偏差的閉環(huán)控制共同組成反饋-前饋控制系統(tǒng)，稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。由于按偏差確定控制作用以使輸出量保持其在期望 值的反饋控制系

20、統(tǒng)，對于滯后較大的控制對象，其反饋控制作用不能及時影響系 統(tǒng)的輸出，以致引起輸出量的過大波動，直接影響控制品質(zhì)。如果引起輸出量較 大波動的主要外擾動參量是可量測和可控制的，則可在反饋控制的同時，利用外 擾信號直接控制輸出（實施前饋控制），構(gòu)成復(fù)合控制能迅速有效地補(bǔ)償外擾對 整個系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度。這種按外擾信號實施前饋控制的方式稱 為擾動控制，按不變性原理，理論上可做到完全消除主擾動對系統(tǒng)輸出的影響。單純前饋不存在被控變量的反饋，即對于補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗的手段。這樣 在前饋作用的控制結(jié)果并沒有最后消除被控變量偏差時，系統(tǒng)無法得到這一信息 而做進(jìn)一步的校正。其次，由于實際工業(yè)對象存在著多個干擾，為了補(bǔ)償它們對 被控變量的影響，勢必要設(shè)計多個前饋通道，這就增加了投資費用和維護(hù)工作量。此 外前饋控制模型的精度也受多種因素的限制，對象特性要受負(fù)荷和工況等因素的 影響而產(chǎn)生漂移，必將導(dǎo)致干擾通道和控制通道的變化，因此一個固定的前饋模 型難以獲得良好的控制品質(zhì)饋控制是按干擾進(jìn)行調(diào)節(jié)的開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在干擾發(fā)生后，被控變量未發(fā)生 變化時，前饋控制器根據(jù)干擾幅值，變化趨勢，對操縱變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，來補(bǔ)償干 擾對被控變量的影響，使被控變量保持不變的方法。前饋控制的特點有：前饋控 制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)，按干擾進(jìn)行控制，控制及時，精度高，僅僅對前饋量有 控制作用，前饋控制器為多用控制器，不能