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1、辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 开放性实验报告开放性实验报告 题目：题目： 冷凝器温度前馈冷凝器温度前馈- -反馈控制系统设计与仿真反馈控制系统设计与仿真 院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字）起止时间：起止时间： 2015.2015.1111. .19192015.2015.1111. .2222 开放性实验报告I辽宁工业大学实验室开放项目任务书辽宁工业大学实验室开放项目任务书2015/2016 学年 第一 学期实验项目 冷凝器温度前馈反馈控制系统设计与仿真所在单位 实验类型科学研究 自拟课题 综合设计 计算机应用
2、 其它指导教师 实验时数招收对象 1= 招收人数 项目 研究 的意 义及 内容研究意义：研究意义： 1.掌握复合控制系统的原理。2.掌握反馈控制器的设计方法。3.掌握前馈控制器的设计方法，提高学生分析系统和设计系统的实践技能。4.提高学生的计算机应用能力，掌握 MATLAB 语言的使用及编程方法。5.训练学生编写程序及联机调试程序的能力，培养学生团队合作精神。6.为学生今后从事自动控制工作奠定理论和实践基础。内容：内容： 分析前馈-反馈控制的原理；对被控对象和扰动通道的传递函数的延迟环节进行近似处理；根据设计要求完成反馈控制器和前馈控制器的设计，并用 Simulink 仿真验证设计结果的正确性
3、。 控制 要求控制系统的参数和要求如下：1.被控对象的传递函数为；sessG8015594. 0)(2.扰动通道的传递函数为；sfessG614105. 1)(3. 设计要求：阶跃给定响应超调量小于 50%，阶跃扰动对系统无影响。开放性实验报告II注：此表用于申请教学计划外的开放项目，请如实填写，由各院（系）汇总后统一办理，报实践教学科一份。开放性实验报告III目 录第 1 章 绪论 .1第 2 章 控制方案介绍 .32.1 概述 .32.2 控制原理 .32.3 实验内容 .4第 3 章 系统设计与仿真 .53.1 处理延迟环节 .53.2 反馈控制系统设计 .63.3 前馈控制系统设计 .
4、8第 4 章 课程设计总结 .11开放性实验报告1第 1 章 绪论冷凝器(Condenser) 空调系统的机件，能将管子中的热量，以很快的方式，传到管子附近的空气，大部分的汽车置于水箱前方。把气体或蒸气转变成液体的装置。发电厂要用许多冷凝器使涡轮机排出的蒸气得到冷凝；在冷冻厂中用冷凝器来冷凝氨和氟利昂之类的致冷蒸气。石油化学工业中用冷凝器使烃类及其他化学蒸气冷凝。在蒸馏过程中，把蒸气转变成液态的装置称为冷凝器。所有的冷凝器都是把气体或蒸气的热量带走而运转的。对某些应用来说，气体必须通过一根长长的管子（通常盘成螺线管），以便让热量散失到四周的空气中，铜之类的导热金属常用于输送蒸气。为提高冷凝器的
5、效率经常在管道上附加散热片以加速散热。散热片是用良导热金属制成的平板。这类冷凝器一般还要用风机迫使空气经过散热片并把热带走。一般制冷机的制冷原理压缩机的作用是把压力较低的蒸汽压缩成压力较高的蒸汽，使蒸汽的体积减小，压力升高。 压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的液体后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，从而完成制冷循环。液体制冷剂在蒸发器中吸收被冷却的物体热量之后，汽化成低温低压的蒸汽、被压缩机吸入、压缩成高压高温的蒸汽后排入冷凝器、在冷凝器中向冷却介质(水或空气)放热，冷凝为高压
6、液体、经节流阀节流为低压低温的制冷剂、再次进入蒸发器吸热汽化，达到循环制冷的目的。这样，制冷剂在系统中经过蒸发、压缩、冷凝、节流四个基本过程完成一个制冷循环。制冷剂包括：氟里昂 12(CF2Cl2)代号 R12 氟里昂 12 是一种无色、无臭、透明、几乎无毒性的制冷剂，但空气中含量超过 80%时会引起人的窒息。氟里昂 12不会燃烧也不会爆炸，当与明火接触或温度达到 400以上时，能分解出对人体有害的氟化氢、氯化氢和光气(CoCl2)。 R12 是应用较广泛的中温制冷剂，适用于中小型制冷系统，如电冰箱、冰柜等。R12 能溶解多种有机物，所以不能使用一般的橡皮垫片(圈)，通常使用氯丁二烯人造橡胶或
7、丁睛橡胶片或密封圈。氟里昂 22(CHF2Cl)代号 R22 R22 不燃烧也不爆炸，其毒性比 R12 稍大，水的溶解度虽比 R12 大，但仍可能使制冷系统发生“冰塞”现象。R22 能部分地与润滑油互相溶解，其溶解度随着润滑油的种类及温度而改变，故采用 R22 的制冷系统必须有回油措施。R22 在标准大气压力下的对应蒸发温度为-40.8，常温下冷凝压力开放性实验报告2不超过 15.68105 Pa，单位容积制冷量与比 R12 大 60%以上。在空调设备中，大都选用 R22 制冷剂。四氟乙烷 R134a（ch2fcf3)代号 R13 是一种无毒无污染安全性最高的制冷剂。TLV 1000pm,GW
8、P 1300.广泛应用于制冷设备中。特别是对制冷剂要求高的仪器中。蒸汽冷凝器这种冷凝常应用于多效蒸发器末效二次蒸汽的冷凝，保证末效蒸发器的真空度。例如喷淋式冷凝器，冷水从上部喷嘴喷入，蒸汽从侧面入口进入，蒸汽与冷水充分接触后被冷凝为水，同时沿管下流，部分不凝汽体也可能被带出。例如充填式冷凝器，蒸汽从侧管进入后一上面喷下的冷水相接触冷凝器里面装了满了瓷环填料，填料被水淋湿后，增大了冷水与蒸汽的接触面积，蒸汽冷凝成水后沿下部管路流出，不凝气体同上部管路被真空泵抽出，以保证冷凝器内一定的真空度。淋水板或筛板冷凝器，目的是增大冷水与蒸汽的接触面积。混合式冷凝器具有结构简单，传热效率高等优点，腐蚀性问题
9、也比较容易解决。在制冷系统中，蒸发器、冷凝器、压缩机和节流阀是制冷系统中必不可少的四大件，这当中蒸发器是输送冷量的设备。制冷剂在其中吸收被冷却物体的热量实现制冷。压缩机是心脏，起着吸入、压缩、输送制冷剂蒸汽的作用。冷凝器是放出热量的设备，将蒸发器中吸收的热量连同压缩机功所转化的热量一起传递给冷却介质带走。节流阀对制冷剂起节流降压作用、同时控制和调节流入蒸发器中制冷剂液体的数量，并将系统分为高压侧和低压侧两大部分。实际制冷系统中，除上述四大件之外，常常有一些辅助设备，如电磁阀、分配器、干燥器、集热器、易熔塞、压力控制器等部件组成，它们是为了提高运行的经济性，可靠性和安全性而设置的。开放性实验报告
10、3第 2 章 控制方案介绍2.1 概述采用前馈与反馈控制相结合的控制结构，既能发挥前馈控制对扰动的补偿作用，又能保留反馈控制对偏差的控制作用，前馈-反馈控制结构如图 2.1 所示。 图 2.1 前馈-反馈控制结构图由图 2.1 可知，前馈-反馈控制结构是在反馈的基础上，增加了一个扰动的前馈控制，由于完全补偿的条件未变，因此仍有 G(s)Gn(s)-nD2.2 控制原理前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被 调参数变化的干扰大小进行调节的。 在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并能被测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调 量发
11、生偏差之前抵消。 因此， 前馈调节对干扰的客服比反馈调节及时。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后， 按过程的某种物质 或能量平衡条件计算出校正值。 如果前馈支路出现扰动， 经过流量计测量之后， 测量得到干 扰的大小，然后在反馈支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿，而不需要经过调节器。开放性实验报告4因为在工业生产过程中，对被控量的调节要求有较高精度，而且要有很强的抗扰动能力，因此在控制方案的选择上，只是使用反馈控制无法实现稳定准确的控制。根据控制特点，需要引入前馈控制，实现前馈-反馈控制。前馈控制系统在受控部位的活动发生偏差之前就发出控制指令了，反
12、馈控制系统感受到受控部位的活动发生偏差之后才发出控制指令。例如：当体温降低时机体稳态被打破，产热反应的强度相对偏低（即发生偏差。.体温降低之前机体稳态尚未被打破产热反应的强度也尚未出现偏差，如果此时控制部位就开始发出指令使产热反应增强，就是前馈控制。心脏和血管的活动出现了偏差，这种偏差的结果导致血压降低，感受器感受到血压降低后，控制部位根据这一信息发出指令，使血压升高，就是（负）反馈控制。2.3 实验内容分析前馈反馈控制的原理；对被控对象和扰动通道的传递函数的延迟环节进行近似处理；根据设计要求完成反馈控制器和前馈控制器的设计，并用Simulink 仿真验证设计结果的正确性。开放性实验报告5第
13、3 章 系统设计与仿真控制系统的参数和要求如下：1.被控对象的传递函数为；sessG8015594. 0)(2.扰动通道的传递函数为；sfessG614105. 1)(3. 设计要求：阶跃给定响应超调量小于 50%，阶跃扰动对系统无影响。3.1 处理延迟环节为了便于计算将 G0(s)与 Gf(s)中的延迟环节用 pade()函数进行近似处理，输入如下语句指令，如图 3.1 所示。 图 3.1 语句指令开放性实验报告6输入指令后，点击运行，得到了 G0(s)与 Gf(s)的传递函数，如图 3.2 所示。3.2 传递函数G0(s)的传递函数是1875. 0s75. 021875. 0s75. 02
14、*1s5594. 0) s (GossGf(s)的传递函数是3333. 0s23333. 0s2*1s4105. 1) s (Gfss3.2 反馈控制系统设计同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到
15、输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系开放性实验报告7统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。比较环节用来将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称为调节器。以炉温控制为例，受控对象为炉子；输出变量为实际的炉子温度;输入变量为给定常值温度,一般用电压表示。炉温用热电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相比
16、较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。进行阶跃给定响应的仿真，其仿真结构框图，如图 3.3 所示。图 3.3 反馈系统仿真结构图进行系统阶跃响应仿真，并计算其性能指标，输入如下 MATLAB 程序：n1=0.94;d1=55 1;G1=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 ony,t=step(Gc);sigma,t
17、p,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);开放性实验报告8ess=ster(0,sys,t);ess=ster(1,sys,t);程序执行后，可得到如图 3.4 所示的阶跃给定响应曲线。 图 3.4 阶跃给定响应曲线3.3 前馈控制系统设计利用输入或扰动信号的直接控制作用构成的开环控制系统。这类按输入或扰动的开环控制通常与包含按偏差的闭环控制共同组成反馈-前馈控制系统，称为复合控制系统。由于按偏差确定控制作用以使输出量保持其在期望值的
18、反馈控制系统，对于滞后较大的控制对象，其反馈控制作用不能及时影响系统的输出，以致引起输出量的过大波动，直接影响控制品质。如果引起输出量较大波动的主要外扰动参量是可量测和可控制的，则可在反馈控制的同时，利用外扰信号直接控制输出（实施前馈控制），构成复合控制能迅速有效地补偿外扰对整个系统的影响，并利于提高控制精度。这种按外扰信号实施前馈控制的方式称为扰动控制，按不变性原理，理论上可做到完全消除主扰动对系统输出的影响。 前馈控制系统利用输入或扰动信号的直接控制作用构成的开环控制系统。这类按输入或扰动的开环控制通常与包含按偏差的闭环控制共同组成反馈-前馈控制系统，称为复合控制系统。由于按偏差确定控制作
19、用以使输出量保持其在期望值的反馈控制系统，对于滞后较大的控制对象，其反馈控制作用不能及时影响系统的输出，以致引起输出量的过大波动，直接影响控制品质。如果引起输出量较大波动的主要外扰动参量是可量测和可控制的，则可在反馈控制的同时，利用外扰信号直接控制输出（实施前馈控制），构成复合控制能迅速有效地补偿外扰对开放性实验报告9整个系统的影响，并利于提高控制精度。这种按外扰信号实施前馈控制的方式称为扰动控制，按不变性原理，理论上可做到完全消除主扰动对系统输出的影响。单纯前馈不存在被控变量的反馈，即对于补偿的效果没有检验的手段。这样在前馈作用的控制结果并没有最后消除被控变量偏差时，系统无法得到这一信息而做
20、进一步的校正。其次，由于实际工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被控变量的影响,势必要设计多个前馈通道,这就增加了投资费用和维护工作量。此外前馈控制模型的精度也受多种因素的限制，对象特性要受负荷和工况等因素的影响而产生漂移，必将导致干扰通道和控制通道的变化，因此一个固定的前馈模型难以获得良好的控制品质。 馈控制是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。前馈控制的特点有：前馈控制系统是开环控制系统，按干扰进行控制，控制及时，精度高，仅仅对前馈量有控制作用，前馈控
21、制器为多用控制器，不能随时了解被控变量变化情况。前馈控制的典型结构如图 3.5 所示。图中 Gn(s)是被控对象扰动通道的传递函数，Dn(s)前馈控制器的传递函数，G(s)是被控对象控制通道的传递函数，n,u,y分别为扰动量、控制量、被控量。图 3.5 前馈控制系统结构图为了方便进行阶跃扰动响应的仿真，特绘制出系统的对扰动的 Simulink 结构图如图 3.6 所示，将其文件名保存为 mx071。开放性实验报告10图 3.6 前馈控制系统仿真结构图在程序文件方式下执行以下程序：a,b,c,d=linmod2(mx017);sys=ss(a,b,c,d);step(sys)程序执行后可得复合控
22、制系统如图 3.7 所示阶跃扰动响应曲线。图 3.7 阶跃扰动响应曲线开放性实验报告11第 4 章 课程设计总结分析设计通过分析前馈-反馈控制的原理，对被控对象和扰动通道的传递函数的延迟环节进行近似处理，根据设计要求完成了反馈控制器和前馈控制器的设计，并用 Simulink 进行了仿真，验证设计结果的正确性。采用前馈与反馈控制相结合的控制结构，既能发挥前馈控制对扰动的补偿作用，又能保留反馈控制对偏差的控制作用。因为在冷凝器工作过程中，对温度的调节要求有较高精度，而且要有很强的抗扰动能力，因此在控制方案的选择上，只是使用反馈控制无法实现稳定准确的控制。根据控制特点，需要引入前馈控制，实现前馈-反馈控制。前馈控制系统在受控部位的活动发生偏差之前就发出控制指令了，反馈控制系统感受到受控部位的活动发生偏差之后才发出控制指令，通过这样的设计，能够很好的达到设计的要求。开放性实验报告12