前馈控制系统设计.docx

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前馈控制系统设计

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第一章绪论

1.1目的和意义

前馈控制其实并不是一种新的控制方法,古老的按扰动进行调节的开环系统就是一种前馈控制。

虽然它有不少优点,但过去由于自动化技术工具的落后,使得它在工业生产上的应用受到一定的限制。

随着反馈控制技术的迅速发展,前馈控制便渐渐退居次要地位。

近来,由于电子技术、尤其是电子计算机在工业生产上的大规模应用,为前馈控制的实际应用提供了越来越大的可能性。

于是,前馈控制以其独特的优点,重新得到了应有的重视与研究。

前馈控制系统为前馈控制的一种形式，是控制部分发出指令使受控部分进行某种活动，同时又通过另一快捷途径向受控部分发出前馈信号，受控部分在接受控制部分的指令进行活动时，又及时地受到前馈信号的调控，因此活动可以更加准确。

在工业生产过程中，最常见的被控过程是各类热交换器、塔器、反应器、加热炉、锅炉、窑炉、储液槽、泵、压缩机等。

每个过程都各有其自身固有特性，而过程特性的差异对整个系统的运行控制有着重大影响。

有的生产过程较易操作，工艺变量能够控制的比较平稳；有的生产过程很难操作，工艺变量容易产生大幅度的波动，只要稍不谨慎就会跃出工艺允许的范围，轻则影响生产，重则造成事故。

只有充分了解和熟悉生产过程才能得心应手的操作，使工艺生产在最佳状态下进行。

在自动控制系统中，若想采用过程控制装置来模拟操作人员的劳动，就必须充分了解过程的特性，掌握其内在规律，确定合适的被控变量和操作变量。

在此基础上才能选用合适的检测和控制仪表，选择合理的控制参数，设计合乎工艺要求的控制系统。

特别在设计新型的控制方案时，例如前馈控制、解耦控制、时滞补偿控制、预测控制、软测量技术及推断控制、自适应控制、计算机最优控制等，多数都要涉及到过程的数学模型，更需要考虑过程特性。

前馈控制有很多优点，所以前馈控制在工业生产中起着重要的作用，尤其是在家电、石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。

而本课题就是结合中央空调中的送风温度控制环节来学习前馈控制系统。

下面来介绍一下中央空调在生活中的重要性。

能源的可持续利用和环境健康问题是楼宇自控系统发展的主要推动力，在一些国家，楼宇自控系统还被称为EMCS——能源管理和控制系统，阐明了它最重要的功能，即控制楼宇的能源消耗和对楼宇设备进行高效管理。

如今节能建筑已成为城市文明和可持续发展的象征。

当前，一方面是对煤电油等重要资源的需求量明显增加；另一方面能源资源短缺，不能满足当前社会发展需求。

单从建筑角度来看，由于空调系统历来是建筑能耗的大户，所以为了降低能耗，那么比较有效的办法就是优化空调的控制策略，提高空调设备的效率。

变风量空调系统正是基于这些原因诞生的。

国内对变风量空调系统的研究与应用起步较晚，前期由于缺乏相关的设计和控制经验，所以造成了部分的变风量空调系统不能正常运行，只好再改为定风量空调系统，浪费了大量的投资。

但随着技术的发展以及相关的技术人员越来越多，再加上能源价格的上涨，使得越来越多的业主要求设计变风量空调系统。

同时也希望变风量空调系统能够最大限度的节省能耗，给业主带来经济效益，这就给空调的控制工程师带来了一系列的挑战。

综上，对变风量空调系统进行研究，使其更加有效的节约能源，满足当前社会发展的需要具有重大的经济意义和学术

价值。

随着我国科学技术的快速发展和人们生活水平的日益提高，中央空调已经在现代智能建筑中得到了广泛的应用。

特别是在大型公共建筑中，中央空调的应用已是现代智能建筑技术的重要衡量标准之一，是现代智能建筑创造高舒适性、高效率的工作和生活环境中所必需的建筑设备。

但中央空调又是建筑物中消耗能源最多的设备之一，它在给人们带来舒适的工作和生活环境的同时，其建筑能耗也在快速的增长，极大的增加了建筑物的能源压力，从而导致了建筑能源的供需危机。

现代智能建筑已离不开能源，中央空调已是建筑物的耗能大户，其能耗约占整个建筑能耗的40%~60%，而且能耗还在不断增加中，给现代城市的供配电行业带来了沉重的负担，已成为人们必须关注的问题之一。

高舒适性的中央空调一般使用时间集中、季节性负荷大，这点更加剧了我国用电负荷峰谷差之间的矛盾，每年夏季中央空调用电负荷高峰期，城市中央空调用电负荷约占城市总用电负荷的30%~40%，南方地区用电负荷高达50%以上。

降低建筑能耗水平，是实现我国城市建设的可持续发展必须解决的重大关键性问题，也是中国能源战略的重要组成部分，这些都与国家经济发展和社会发展有着密切的关系。

为了能达到降低建筑能耗水平的目的，采用智能控制技术和高度自动化的设备系统来提高中央空调的能源利用率，已经成为建筑节能的重要途径，这将对我国现代智能建筑实现低能耗、高舒适度，最大限度节约能源，减少能源浪费，发展绿色建筑，推进节能减排有着重要的战略意义。

1.2本课题国内外的研究情况

随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。

下面为过程控制的系统结构框图如图1-1所示：

图1-1过程控制系统结构

在现代工业控制中,过程控制技术是一历史较为久远的分支。

在本世纪30年代就已有应用，过程控制技术发展至今天,在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。

在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是：

分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段。

几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。

过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统（CIMS）：

以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。

变风量空调系统的思想在本世纪60年代诞生于美国，但其出现后并没有得到迅速推广，当时美国占主导地位的仍是定风量空调系统加末端再热和双风道系统。

西方70年代爆发的石油危机促使变风量空调系统在美国得到广泛的应用，并在其后20年内不断发展，现已成为美国空调系统的主流。

变风量空调系统在其它国家也得到了应用，90年代后，欧、美、日大约有80％高层建筑的空调系统采用了变风量空调系统。

我国在上世纪70年代即有人研究变风量空调系统的开发和应用，并在地下厂房、纺织厂、体育馆等建筑中采用过变风量空调系统。

在80年代，曾经引进过国外的变风量空调系统，但由于对系统性能不够了解，致使系统不能按设计要求运行，有些工程两三年后使用者又取消了变风量空调系统的运行方式，相应的自控设备也拆除了。

这使得变风量空调系统的优点没有发挥出来，变风量空调系统附加的投资即成了泡影。

一时间对变风量空调系统的应用和研究也停顿了下来。

而近年来，工程师们又把目光转向了变风量空调系统。

这其中有两大原因：

一是国内目前的定风量空调系统和风机盘管系统暴露了一些缺点。

由于我国目前的舒适性空调大部分都是设有末端再热的定风量空调系统，所以一个送风参数不能适应不同房间的要求。

风机盘管系统可以避免这个问题，但是吊顶的凝水污染以及霉变问题同样不能让人容忍。

而且有时房间在使用功能和格局上的改变，要求空调系统也做相应的改动，可是定风量空调系统和风机盘管系统的改建比较复杂；二是受变风量空调系统节能的诱惑，因此业主也希望采用变风量空调系统以节约运行成本。

现阶段在国内变风量空调系统的使用还是没有发达国家那样普遍，大部分仅在屋顶旋转餐厅部分或公共部分局部使用变风量空调系统。

至于大面积、整栋大厦采用变风量空调系统的工程还比较少，且仅限于少数高级办公建筑。

在国内智能建筑的高速发展中，急需全面深刻地分析变风量空调系统的发展趋势和技术关键，总结工程实例，促进这一技术的平稳发展。

中央空调水系统的能耗主要决定于空调设备的容量及系统运行控制技术，我国由于缺乏先进的控制技术和设备，中央空调系统大多数仍然采用传统的人工管理方式和简单的开关控制设备，不能实现空调冷冻水流量跟随末端负荷的变化而动态调节，在部分负荷运行时造成能源浪费很大，使我国建筑用能效率底下，单位建筑面积能耗比同等气候条件的发达国家高出2~3倍。

随着智能建筑楼宇自动化系统和变频调速技术的应用和发展，在中央空调系统中，工程人员已开始采用楼宇自动化系统或变频器对空调系统设备进行控制。

变流量系统水系统由此应运而生，我国的变流量技术起步较晚，由最初的定流量系统发展至今，空调水系统目前有定流量一次泵冷冻水系统、定流量二次泵冷冻水系统、变流量一次泵冷冻水系统、变流量二次泵冷冻水系统等方式，由于定流量系统在使用过程中出现了冷水温差过小、系统阻力损失过大，即“大流量、小温差”的现象，针对此现象国内外学者开始对变流量控制技术的研究。

从变流量控制技术着手，有压差控制、温差控制、阀门开度控制、最小阻力控制、变压差控制、总流量控制、基于前馈补偿的变流量控制等。

国内学者李苏泷分析了单级泵变流量系统的压差控制和温差控制，并指出温差控制大多适用于空调末端不用调节阀且空调房间特性要求较低的场合，否则应优先考虑压差控制，且认为温差控制的节能效果要由于压差控制；Jin等认为由于压差控制比温差控制的系统响应要快，若在水泵频率要求的变化范围内，应优先选用压差控制。

1.3内容和方法

重点是前馈控制系统的设计，而前馈控制系统属于过程控制控制中重要的一部分，所以首先要了解过程控制控制系统和查找一些有关前馈控制的实例，以便更好地了解前馈控制系统。

找到合适的用到前馈控制的实例系统，研究其控制原理及过程，将实例流程图转化为物理框图，是要研究的系统简化到最简。

再统计实例系统运作时的各种参数，分析参数之间的变化选择合适的建模系统。

将建成的模型在没有反馈控制的时候进行仿真，得到一组未控制前的仿真图，因为控制过程经常会有系统不稳定的情况，所以要对系统进行校正进行仿真得到另一组仿真图，再将前馈控制加在所建的模型中，进行仿真后得到一组控制后的仿真图及参数，分析不同阶段所得仿真图的差异，分析前馈控制在其中所起的作用。

具体实现方法为：

1、查找有关前馈控制的相关资料，掌握前馈控制系统的原理和了解用到前馈系统的实例。

2、比较前馈控制系统、反馈控制系统、前馈-反馈控制系统的优缺点。

3、了解数学建模的方法，将实例系统进行建模变化为控制框图，并分析实例参数找到合适的建模模型。

4、在未加入前馈控制时用Matlab编程得到仿真图，分析仿真图和参数对系统进行校正得到传递函数，再用Matlab编程仿真出校正后的仿真图。

5、将前馈控制加入系统中，用Simulink和Matlab结合对系统进行仿真得到仿真图后，对三次仿真所得的仿真图和参数进行比较，分析校正前后的区别及前馈控制在该实例中所起的作用。

第二章前馈控制系统

2.1过程控制系统的概述

以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。

这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。

表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。

通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。

一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。

　　过程控制在石油、化工、电力、冶金等部门有广泛的应用。

20世纪50年代，过程控制主要用于使生产过程中的一些参量保持不变，从而保证产量和质量稳定。

60年代，随着各种组合仪表和巡回检测装置的出现，过程控制已开始过渡到集中监视、操作和控制。

70年代，出现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的多级计算计控制系统。

80年代，过程控制系统开始与过程信息系统相结合，具有更多的功能。

在工业生产过程中，最常见的被控过程是各