换热器建模与温度控制的仿真实现开题报告
2021-08-14 18:22:38
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
换热器是工业生产中必不可少的设备，且在节能方面起着很重要的作用。换热器建模与温度控制的仿真实现中运用到的模糊控制器，不仅适用于换热器，也适用于其他实际生产中的工业对象，所以此模糊控制算法具有一定的推广性。除此之外，换热器合理设计、系统性能的改善都能够提高能源的利用率，减少能源消耗，在我国的能源的有效利用及开发方面具有重大意义。
综合有关本课题的文献，研究发现，越来越多的复杂工业系统利用传统PID控制结合模糊控制、前馈控制、串级控制等综合控制方法来达到理想的控制要求。不得不说，PID控制是历史最久也是应用最为广泛的控制方法。它具有许多良好的性能：结构简单，鲁棒性好，适应性强等。我们可以根据被控对象的不同来适当调节PID参数。但是，随着工业控制系统的复杂化，传统的纯PID控制存在的一定的局限性：
（1）传统的控制是基于对象的精确模型的控制，对于复杂的难以建立精确模型的系统，且当模型的结构和参数在很大范围内变化时，传统方法都难以对它们进行控制。且PID控制对大时滞、不稳定对象的控制性能不是很好。
（2）在传统控制理论中，PID控制对线性系统的控制比较好，线性系统理论比较成熟。对于非线性的控制对象虽然也有一些控制方法，但非线性控制理论还不成熟，而且方法比较复杂。
（3）在传统的控制系统中，控制任务的要求主要两种。一种是要求输出量为定值（调节系统），另一种是要求输出量跟随期望的运动轨迹（跟踪系统）。因此控制任务的要求单一。PID控制不能同时满足对设定值跟踪和抑制外部干扰等性能要求。
（4）在对PID参数进行整定的过程中，有时不允许出现等幅震荡的情况。而且参数的整定是具有一定局限性的优化值，而不是全局性的最优值。无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。
对于换热器来说，它的工作机理较为复杂，难以建立精确的动态数学模型。这种情况也就决定了不能用传统的PID控制对换热器进行控制，满足不了换热器的静态及动态特性。而经文献查阅发现，事实也是如此：采用常规的PID控制时效果都不理想。这是因为换热器的温度控制系统具有非线性、大惯性、纯滞后、参数时变等特性【1】,常规的控制方法难以达到理想的控制效果。所以应该寻找更有效的控制方法对换热器进行控制。
在常规PID控制的基础上，现在在对出口温度的自动控制方案中主要分为三类：
（1）基于Matlab的PID温度控制系统【2】
此控制方案是运用系统辨识法、Relay-feedback法，借助Matlab软件研究PID控制器的设计方法，并通过Matlab中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。
常规的PID控制一般用于线性系统的被控对象，而运用了系统辨识法、Relay-feedback法后，可辨识出系统的特性、传递函数。系统辨识法和Relay-feedback法的运用区别是：传递函数是否已知。在系统传递函数已知的情况下，利用系统辨识法辨识出传递函数，然后用Matlab调出PID值；当传递函数未知时，利用Relay-feedback法直接调出PID值。
(2)基于Smith预估器的换热器温度控制系统【3】
对于决定换热器动态响应的特性参数,机理分析和工程实践都表明,换热器是一个惯性和滞后均较大的被控系统。通常认为当过程的纯延迟时间与其动态时间常数T的关系满足延迟时间/T=0.3时,则为大延迟控制系统。由于大延迟控制系统具有超调量大、响应时间长及系统稳定性差等缺点,故通常在设计这类系统时采用微分先行或中间反馈方案来提高控制系统的品质,但是最有效的仍是Smith预测控制方案,因为它能有效补偿系统大延迟所带来的不良后果。
具有大时滞特征的换热器温度控制系统,采用Smith补偿的控制方案,可以取得比常规PID更好的控制效果,控制系统的稳定性好、超调量小、控制精度高。且能有效克服大纯滞后对系统稳定性的影响,且实现简单,可靠性好,非常适用于换热器的温度控制系统,对其他工业过程的温控也有借鉴意义。
(3)Smith-Fuzzy串级控制温度控制系统【1】
换热器的温度控制系统具有非线性、大惯性、纯滞后、参数时变等特性,常规的控制方法难以达到理想的控制效果。采用Smith预估补偿的模糊控制算法结合传统PID算法构成的串级控制系统应用于换热器出口温度的控制,并在过程设备与控制多功能实验台上进行了换热器出口温度的跟踪控制实验,结果显示该算法能够显著提高控制系统的质量。
在换热器出口温度串级控制系统中,其主回路采用基于Smith预估补偿的模糊控制算法,以消除纯滞后环节对于系统控制质量的影响,副回路控制采用传统的PID控制,能够及时克服来自副回路的各种干扰,维持控制系统的稳定。
基于Smith预估补偿的模糊串级控制器既可以弥补传统PID控制不能在线调整控制参数的缺点,而且可以明显改善纯滞后系统的控制质量。在过程设备与控制多功能实验系统上进行的换热器物料出口温度跟踪实验结果显示,该算法能够取得比较理想的控制效果。
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
要研究或解决的问题：
1.查阅换热器系统原理及控制方法中、英文科技文献资料20篇以上，并将不少于5000字的相关英文资料翻译成中文，做到文意正确，语言表达清楚。
2.做好和本课题的相关的读书笔记（综述），其内容必须有相应的理论分析，能跟踪课题研究领域的先进技术，了解该领域里的新研究成果。
3. 设计换热器系统温度反馈控制律及前馈反馈相结合的控制律。
4. 在MATLAB环境下，对设计的反馈控制律进行仿真研究。
5. 编写人机界面程序。
6. 撰写详细的软件设计说明书。
7. 对课题研究进行总结和归纳，撰写不少于1.2万字的论文。
拟采用的研究手段：
控制器 |
执行器 |
被控对象 |
检测变送 |
扰动通道 |
通过查阅文献，对换热器能有一定的了解，建立被控对象的数学模型。拟采用通过控制冷流体流量来控制出口温度。也就是说，当出口温度高于设定值（期望值）时，增大阀门，增加冷流体流量；当出口温度低于设定值时，减小阀门，减少冷流体流量；当出口温度等于设定值时，阀门开度不变，冷流体流量不变。其中冷流体流量是通过离心泵来调节的，离心泵是通过变频器来调节的，变频器的工作时通过输入电流的变化调节输出频率从而改变离心泵转速。故需要离心泵转速与控制器输出的电流之间的数学关系，以及冷流体流量与离心泵转速之间的关系。同样检测变送环节的输出信号值转换成相应的电流值。
而经过查阅大量文献发现，出口温度控制系统的相对最优设计是采用Smith预估补偿的模糊控制算法结合PID控制算法构成串级控制系统。当然是否能达到最优还需深入研究、仿真。若以此为模型，需要分别确定主控制回路、副控制回路。通过上述分析，可以把冷流体流量作为副被控变量，出口温度作为主被控变量。已知温度控制系统具有非线性、大惯性、纯滞后、参数时变等特性，所以需要用Smith预估补偿器对时滞进行补偿。但Smith预估器需要被控对象的精确数学模型，当对象模型不精确时，需要用到模糊控制来改善控制效果。最后通过Matlab中Simulink构建系统仿真结构，并进行性能分析。
关于人机界面，采用GUIDE创建GUI。GUIDE是MATLAB图形用户接口开发环境的简称，它提供了一系列工具用于建立GUI对象。这些工具极大简化了设计和创建GUI的过程。使用GUI可以完成如下两项工作：
（1） GUI图形界面布局；
（2） GUI编程。
