1、.遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （論文） 開放性實(shí)驗(yàn)報(bào)告 題目： 冷凝器溫度前饋-反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 院（系）： 專業(yè)班級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時(shí)間： :開放性實(shí)驗(yàn)報(bào)告xx工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目任務(wù)書2015/2016 學(xué)年 第一 學(xué)期實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 冷凝器溫度前饋反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真所在單位 實(shí)驗(yàn)類型科學(xué)研究 自擬課題 綜合設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用 其它指導(dǎo)教師 實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)招收對(duì)象 1= 招收人數(shù) 項(xiàng)目 研究 的意 義及 內(nèi)容研究意義： 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(jì)方法。3.掌握前饋控制器的設(shè)計(jì)方法，提高學(xué)生分析系統(tǒng)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)的

2、實(shí)踐技能。4.提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，掌握MATLAB語言的使用及編程方法。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(duì)合作精神。6.為學(xué)生今后從事自動(dòng)控制工作奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。內(nèi)容： 分析前饋-反饋控制的原理；對(duì)被控對(duì)象和擾動(dòng)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(jì)要求完成反饋控制器和前饋控制器的設(shè)計(jì)，并用Simulink仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的正確性。 控制 要求控制系統(tǒng)的參數(shù)和要求如下：1.被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為；2.擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為；3. 設(shè)計(jì)要求：階躍給定響應(yīng)超調(diào)量小于50%，階躍擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)無影響。注：此表用于申請(qǐng)教學(xué)計(jì)劃外的開放項(xiàng)目，請(qǐng)如實(shí)填寫，由各院（系）匯總后統(tǒng)

3、一辦理，報(bào)實(shí)踐教學(xué)科一份。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(shí)驗(yàn)內(nèi)容4第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)63.3 前饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)8第4章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)11II第1章 緒論冷凝器(Condenser) 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

4、器。所有的冷凝器都是把氣體或蒸氣的熱量帶走而運(yùn)轉(zhuǎn)的。對(duì)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

5、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(gè)基本過程完成一個(gè)制冷循環(huán)。制冷劑包括：氟里昂12(CF2Cl2)代號(hào)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(shí)會(huì)引起人的窒息。氟里昂12不會(huì)燃燒也不會(huì)爆炸，當(dāng)與明火接觸或溫度達(dá)到400以上時(shí)，能分解出對(duì)人體有害的氟化氫、氯化氫和光氣(

6、CoCl2)。 R12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(CHF2Cl)代號(hào)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(duì)應(yīng)蒸發(fā)溫度為-40.8，常溫下冷凝壓力不超過15.68×105 Pa，單位容積制冷量與比R12大60%以上。在空調(diào)設(shè)備中，大

7、都選用R22制冷劑。四氟乙烷R134a（ch2fcf3)代號(hào)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(duì)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(shí)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

8、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骶哂薪Y(jié)構(gòu)簡單，傳熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(duì)制冷劑起節(jié)流降壓作用、同時(shí)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(shí)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

9、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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，可靠性和安全性而設(shè)置的。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(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償作用，又能保留反饋控制對(duì)偏差的控制作用，前饋-反饋控制結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。 圖2.1 前饋-反饋控制結(jié)構(gòu)圖由圖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(gè)擾動(dòng)的前饋控制，由于完全補(bǔ)償?shù)臈l件未變，因此仍有 2.2 控制原理前饋控制又稱擾動(dòng)補(bǔ)償，它與反饋調(diào)節(jié)原理完全不同，是按照引起被調(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

10、測出時(shí)，調(diào)節(jié)器就能發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)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(duì)干擾的客服比反饋調(diào)節(jié)及時(shí)。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(yàn)。前饋控制器在測出擾動(dòng)之后，按過程的某種物質(zhì)或能量平衡條件計(jì)算出校正值。如果前饋支路出現(xiàn)擾動(dòng)，經(jīng)過流量計(jì)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?yàn)樵诠I(yè)生產(chǎn)過程中，對(duì)被控量的調(diào)節(jié)要求有較高精度，而且要有很強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力，因此在控制方案的選擇上，只是使用反饋控制無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的控制。根據(jù)控制特點(diǎn)，需要引入前饋控制，實(shí)現(xiàn)前饋-反饋控制。前饋控制系統(tǒng)在受控部位的

11、活動(dòng)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(dòng)發(fā)生偏差之后才發(fā)出控制指令。例如：當(dāng)體溫降低時(shí)機(jī)體穩(wěn)態(tài)被打破，產(chǎn)熱反應(yīng)的強(qiáng)度相對(duì)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(shí)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(dòng)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)）反饋控制。2.3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分析前饋反饋控制的原理；對(duì)被控對(duì)象和擾動(dòng)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(jì)要求完成反饋控制器和前饋控制器的設(shè)計(jì)，并用Simulink仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)

12、結(jié)果的正確性。第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真控制系統(tǒng)的參數(shù)和要求如下：1.被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為；2.擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為；3. 設(shè)計(jì)要求：階躍給定響應(yīng)超調(diào)量小于50%，階躍擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)無影響。3.1 處理延遲環(huán)節(jié)為了便于計(jì)算將G0(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。 圖3.1 語句指令輸入指令后，點(diǎn)擊運(yùn)行，得到了G0(s)與Gf(s)的傳遞函數(shù)，如圖3.2所示。3.2 傳遞函數(shù)G0(s)的傳遞函數(shù)是Gf(s)的傳遞函數(shù)是3.2 反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。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(shí)會(huì)引

13、起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾動(dòng)變量可以測量時(shí)，也常同時(shí)采用按擾動(dòng)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(dòng)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(hào)前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，兩者組成一個(gè)閉合的回路。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(dòng)控制的主要形式。在工程上常把在運(yùn)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(dòng)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

14、反饋控制系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)由控制器、受控對(duì)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(hào)。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(duì)象為爐子；輸出變量為實(shí)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(dòng)勢(shì)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(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。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(jì)算其性能指標(biāo)，輸入如下MATLAB程序：n1=0.94;d1=55 1;G1=tf(n1,d1);ta

15、u=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 ony,t=step(Gc);sigma,tp,ts=perf(1,y,t);ess,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(

16、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(jì)利用輸入或擾動(dòng)信號(hào)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(dòng)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(duì)于滯后較大的控制對(duì)象，其反饋控制作用不能及時(shí)影響系統(tǒng)的輸出，以致引起輸出量的過大波動(dòng)，直接影響控制品質(zhì)。如果引起輸出量較大波動(dòng)的主要外擾動(dòng)參量是可量測和可控制的，則可在反饋控制的同時(shí)，利用外擾信號(hào)直接控制輸出（實(shí)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(duì)整個(gè)

17、系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度。這種按外擾信號(hào)實(shí)施前饋控制的方式稱為擾動(dòng)控制，按不變性原理，理論上可做到完全消除主擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。前饋控制系統(tǒng)利用輸入或擾動(dòng)信號(hào)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(dòng)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(duì)于滯后較大的控制對(duì)象，其反饋控制作用不能及時(shí)影響系統(tǒng)的輸出，以致引起輸出量的過大波動(dòng)，直接影響控制品質(zhì)。如果引起輸出量較大波動(dòng)的主要外擾動(dòng)參量是可量測和可控制的，則可在反饋控制的同時(shí)，利用外擾信號(hào)直接控制輸出（實(shí)施前饋控制），構(gòu)成復(fù)合控制

18、能迅速有效地補(bǔ)償外擾對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度。這種按外擾信號(hào)實(shí)施前饋控制的方式稱為擾動(dòng)控制，按不變性原理，理論上可做到完全消除主擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)輸出的影響。單純前饋不存在被控變量的反饋，即對(duì)于補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗(yàn)的手段。這樣在前饋?zhàn)饔玫目刂平Y(jié)果并沒有最后消除被控變量偏差時(shí)，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(shí)際工業(yè)對(duì)象存在著多個(gè)干擾，為了補(bǔ)償它們對(duì)被控變量的影響,勢(shì)必要設(shè)計(jì)多個(gè)前饋通道,這就增加了投資費(fèi)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(duì)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(gè)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(shí)，前饋控制器根據(jù)干擾幅值，變化趨勢(shì)，對(duì)操縱變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，來補(bǔ)償干擾對(duì)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(diǎn)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(shí)，精度高，僅僅對(duì)前饋量有控制作用，前饋控制器為多用控制器，不能隨時(shí)了解被控變量變化情況。前饋控制的典型結(jié)構(gòu)如圖3.5所示