过程控制pid毕设答辩.ppt

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1、换热器温度控制方法研究姓名：季源佳学号：P1501100311学院：自动化与电气工程学院专业：自动化指导教师：王轶卿1.研究背景及意义2.换热系统的数学模型3.换热器的反馈-前馈控制4.模糊自整定PID及仿真5.致谢1.研究背景及意义换热器是大多数工业生产过程中不可缺少的传热设备，也是重要的节能设备。它在动力、冶金、炼油、化工、电力、制冷、建筑、重型机械制造、航空、原子能、食品和医药等部门应用广泛，并占有十分重要的地位。换热器作为一种利用能源与节约能源的重要设备。其作用表现在两个方面：一是在生产工艺流程中使用着大量的换热器，提高这些

2、换热器的效率，显然可以减少能源的消耗；二是用换热器来回收工业余热，可以显著地提高设备的热效率。如今对能源利用、开发、节约的要求不断提高，因而不仅对换热器性能的要求日益加强，而且对换热器过程控制品质要求也不断增加。因此，控制好换热器出口介质的温度具有极其重要的意义。2.换热系统的数学模型建立换热器出口温度的控制模型，能够帮助分析换热器出口温度与进出口流量和进出口温度等之间的关系。换热器模型为控制系统的分析和制定方案做准备。图2-1换热器的基本原理换热器的静态特性分析对象的静态数学模型是指在稳定条件下对象的输出变量与输入变量之间的函数关系

3、。对于图2-1中列管式换热器，假定G1为冷流体的流量，G2为热流体流量。T1i、T2i分别为冷流体和热流体的入口温度，T1o为冷流体的出口温度和T2o为热流体的出口温度，而为冷流体的比热容，热流体的比热容。根据换热器两侧不发生相变，可得到热量平衡方程式为：(2-1)传热速率方程式由传热定理可知，热流体向冷流体的传热速率应为:(2-2)式中:K—传热系数，kcal/(℃·m2·h)(1cal=4.18J)F—传热面积，m2△T—平均温差，℃对于逆流、单程换热器的对于对数平均值:(2-3)式中:在多数情况下，或在1/3～3之间时，可采用算

4、术平均值代替对数平均值，它的误差在5%以内。算术平均值为:(2-4)经整理可得：(2-5)换热器的静态增益K(l)冷流体入口温度T1i对出口温度T1o的影响(2-6)式(2-6)表明，与之间为线性关系，静态增益K小于1的常数。(2)热流体入口温度T2i对出口温度T1o的影响热流体流量G2对出口温度的影响如下：1）随着热流体流量的增大，通道的静态放大增益K的数值减小，即出口温度增大；(2-7)式(2-9)表明,与之间也为线性关系。热流体温度升高出口温度也升高。(3)热流体流量G2对其出口温度T1o的影响(2-8)2）当G2C2较大时，曲

5、线呈饱和特性，此时热流体流量的变化对出口温度影响很小。(4)冷流体流量G1对热流体出口温度T1o的影响其结果与式(2-8)相似，为一复杂的非线性关系。随着冷流体的流量增大，通道增益的数值减小，及冷流体的流量增大时，当供给热量不变，则流体出口温度会降低；通道特性曲线具有饱和非线性。换热器的动态特性换热器动态特性比较复杂，它的两侧流体充分均匀混合后可近似为集中参数，如不是则安分布式处理。分布式参数的变量是时间、空间的函数。它的变化规律要用偏微分方程来表示。建立分布参数对象的数学模型，是从热量动态平衡方程入手。但我们这时必须取一微元来分析问

6、题，还要假设这一微元中各点温度相同。先分析流体1的热量动态平衡。对流体1去一段微元，这一微元的热量动态平衡方程可叙述为:(单位时间内流体1带入微元的热量)+(单位时间内流体2传给流体1微元的热量)-(单位时间内流体1离开微元所带走的热量)=流体1微元内蓄热量的变化率，即:式中，=z/L，L为换热器的总长度;A—内管的圆周长；—微元的表面积;M1—流体1单位长度的流体质量;—微元的质量。(2-9)作适当的整理，得:(2-10)时间和空间的边界条件表达式为:(2-11)热流体流量G2冷流体流量G1对冷流体出口温度T1o的影响，即通道特

7、性。如用传递函数来描述，可为:、(2-12)假设载热体的被控对象动态特性和干扰通道的传递函数分别为：G(2-13)(2-14)3.换热器的反馈-前馈控制反馈控制系统整定由于采用的反馈控制器为PI形式。因此我们采用阶跃响应法来整定PI参数。用开环阶跃响应并在simulink中进行仿真，仿真框图如图3-1所示。单位阶跃响应曲线如图3-2.图3-1开环阶跃响应simulink框图图3-2单位阶跃响应曲线Z-N阶跃响应法利用Z-N阶跃响应法求得Kp=0.029,Ki=0.009。反馈控制的仿真图3-3换热器反馈控制simulink框图在框图中

8、要设置PID参数，延迟时间，传函等。在simulink设置PID参数，延迟时间，传函等。图3-4反馈控制系统的响应曲线前馈控制图3-5静态前馈系数Kd整定的仿真框图图3-6闭环整定Kd的仿真框图=图3-7静态前馈系数整定