发布时间 : 星期六 文章基于MATLAB的换热器温度控制仿真研究更新完毕开始阅读8da7019776a20029bd642d6e
内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
高控制品质、节约能源具有重要意义。
1.4课题的主要任务及意义
本课题中，需要完成的主要任务包括:
（1）对换热器静、动态性能进行分析。建立被控对象的数学模型； （2）建立被控对象换热器冷流体流量、热流体温度控制的控制模型；
（3）对换热器过程控制算法进行分析，建立流量、温度控制系统的控制算法； （4）设计糊控制器的框架结构；
（5）通过MATLAB中的SIMULINK工具构建控制系统仿真结构；
（6）通过SIMULINK对换热器温度控制过程进行仿真。通过仿真结果，分析控制器的性能；
（7）为了说明所建立的流量、温度控制控制算法的优越性，设计出不同的控制方案，并给出仿真结果，进行控制效果的比较。
课题的设计意义：
（1）虽然本文是将模糊控制器应用于换热器控制，而在实际生产中，具有这种特性的对象有很多，所用到的模糊控制算法具有一定的推广价值。
（2）因为换热器在节能技术改造中具有很重要的作用，将模糊控制用于换热器控制，取得良好的控制效果，间接的减少了能源的浪费，对能源有效利用及开发有着十分重要意义。
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第二章 换热系统的数学模型
建立换热器出口温度控制系统的数学模型，对我们认识和分析该系统的性能有着极大的帮助。本章建立的换热器出口温度控制传递函数模型，是用于分析换热器出口温度与其他相关变量之间的关系。在理论分析的基础上，建立了简化系统动态模型。该模型结构清晰、计算简单、静动态性能预测准确，为下章换热器温度控制系统分析和控制方案的制定奠定了基础。
2.1 换热器过程控制系统分析
目前换热器的控制方案通常是以加热介质作为被控制变量构成控制系统，对于存在大的负荷干扰且对控制品质要求较高的应用场合，则多采用加入负荷干扰的前馈控制。本次换热器控制系统设计要用目前比较流行的模糊控制方法取代传统的PID控制，克服PID控制静态和动态特性不好的缺点。主要任务有两个：①进口水流量的控制；②出口水温的控制。
本设计我们仍然采用传统的通过控制冷流体流量来控制工艺需要流体的出口温度的方法。简单的说，如果出口水温度比我们期望的温度值低，就要减少冷流体流量；如果出口水温度比我们期望的温度值要高，就要增加冷流体流量。如果出口水温度正好等于我们期望的温度值，冷流体流量就可以保持不变。而对于冷流体流量的控制则转化为离心泵转速的控制，换热器统流程图2-1可以看出系统包括换热器、热水炉、控制冷流体的离心泵、变频器、等设备。
控制过程特点:换热器出口温度控制系统是由温度变送器、调节器、执行器、和被控对象(出口温度)组成闭合回路。被调参数(换热器出口温度)经检测元件测量并由温度变送器转换处理获得的测量信号c，测量值c与给定值r的差值e送调节器，调节器对偏差信号e进行运算处理后输出控制作用u。
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冷水出口热水炉热流体出口热流体入口E-4管式换热器冷水入口E-2离心泵P-2离心泵P-3电机E-5E-3
图2-1换热器系统流程图
2.2 信号的检测及参数关系
通过对换热器的过程控制系统分析，了解到需要检测的量有温度和流量，但仿真的时候需要把这些量转换成对应的电流信号。在这个控制系统的仿真中，还需要知道执行机构的输入输出关系。 2.2.1 流量信号的检测
流量信号的检测采用涡轮流量传感器，在管道中心安放一个涡轮，两端由轴承支撑。
当流体通过管道时，冲击涡轮叶片，对涡轮产生驱动力矩，使涡轮克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。在一定的流量范围内，对一定的流体介质粘度，涡轮的旋转角速度与流体流速成正比。由此，流体流速可通过涡轮的旋转角速度得到，从而可以计算得到通过管道的流体流量。
涡轮的转速通过装在机壳外的传感线圈来检测。当涡轮叶片切割由壳体内永久磁钢产生的磁力线时，就会引起传感线圈中的磁通变化。传感线圈将检测到的磁通周期变化信号送入前置放大器，对信号进行放大、整形，产生与流速成正比的脉冲信号，送入单位换算与流量积算电路得到并显示累积流量值；同时亦将脉冲信号送入频率电流转换电
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路，将脉冲信号转换成模拟电流量，进而指示瞬时流量值。流量与脉冲频率的数学关系为：
Q?f/? [L/s] (2-1)
式中:Q—流体的体积流量[L/s]；f—脉冲信号的频率[Hz]；?—仪表常数[次/升]。 若管道冷流体流量在0-10m3/h之间，则对应标准电流信号4-20mA之间的关系为：
y?1.6x?4 (2-2)
2.2.2 温度信号的检测
温度信号检测采用的是铂电阻温度传感器PT100，电阻温度系数为3.9x10-3℃，0℃时电阻值为100?，电阻变化率为0.3851?/℃。
铂电阻与温度的关系:
在0～630.74℃之间: Rt?R0(1?At?Bt2)
1/℃ (2-3)
在-190～O℃之间: Rt?R0(1?At?Bt2?C(t?100)t3) 1/℃ (2-4) 其中:R t —铂电阻的电阻值?；A，B，C—常数:A=3.96847x10-3 1/℃，B=-5.847 x10-7 1/℃，C=- 4.22x x10-12 1/℃；R0—铂电阻在O℃时的电阻值?。
铂电阻温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的。当被测介质中存在温度梯度时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。
若热流体的出口温度在0-100℃之间，则对应标准电流信号4-20mA之间的关系为：
y?0.1x (2-5) 6? 4在做仿真时，温度和流量的反馈通道也可以直接用温度信号和流量信号进行反馈，总之，不管用什么样的参数信号，但这些参数信号必须相互对应。 2.2.3 执行机构的输入输出关系
冷流体流量是换热器出口温度控制系统的控制变量。管路流量值是通过改变电机的转速，从而达到调节离心泵出口流量的目的。而电动机的转速控制是通过变频器来实现的。控制器输出的4-20mA电流信号送入变频器的输入端，变频器工作根据输入电流的变化调节输出频率从而控制电机的转速，再通过离心泵达到控制流量的目的。
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