基于虚拟仪器的换热器智能控制系统设计

作者:王双红;付邦胜;岳学彬 刊名:计算机测量与控制 上传者:王璐

【摘要】换热器广泛应用于建筑工程领域及工业过程中,其出口介质温度的有效控制是保证质量、节能和安全生产的重要条件,因此换热器出口水温的控制是过程控制中的重要课题;文章以西门子SMPT1000换热器温度控制系统为研究对象,建立基于虚拟仪器的智能温度控制平台;该平台在实现传统PID控制的基础上,又增加了智能控制算法,斯密斯控制和模糊控制;实验证明该智能控制平台具有修改参数简易方便、曲线准确的优点,具有良好的动静态特性,且市场应用价值高。

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o弓|胃说:掷床士丁甘扭出“丁市+姑绝一取夂十田换热器作为工艺过程中必不可少的单兀设备,广泛地应用..^^VAA于石油、化工、动力、轻工、机械、冶金、交通、制药等工程领域中。目前,换热器控制中大多数仍采用传统的PID控制,以加热(冷却)介质的流量作为调节手段以被加热(冷却)X艺介质的出口温度作为被控量构成控制系统’对于存在大的&#干扰且对于控制品求较高的应用3合…。目前,对温度的控制大部分采用PID控制器。但是,由于换热系统的被控对象具有纯滞后、大惯性的特点,而且整个控制过程与环境条件密切相关,是个典型的非线性系统,传统的PID控制往往不能满足其静态、动态特性的要求,因此采用先进的控制方法对其进行控制显得尤为重要。本文在传统的PID控制的基础上,设计了斯密斯控制器和模糊控制器,并以Labview软件作为系统平台的开发软件,后台仿真程序使用MATLAB软件,实现了Labview与MATLAB的动态链接[2]。?本文以西门子SMPT1000换热器温度控制系统为研究对象。通过对冷水阀门的控制来控制进人冷却水流量的大小Q, 来达到对热流出温度《的控制。在保持热流出口开度大小不变的情况下,通过改变冷水进口的的开度来获得换热器的特性曲#^u-r.B线,由此可得该系统模型为:30W0{s)=(13<+1)(27、.+1)e他G)縣统具有非线性、大惯性、纯滞后,参数时变等不利于控制的特性。传统的PID控制往往不能满足其动态、静态特麵要求,因此,采用-种先进的控制方法对其进行控制尤为.WIESflJlSlSl-t2.1PID控制器设计PID调节器的控制规律为:?“)=Kpe(z)+丄(2)1T'Jdt其中:Kp为比例系数;T丨为积分时间常数;TD为微分时间常数;为控制器输出;e(?)为控制器输入。为使系统获得良好的控制品质,需要确定PID控制器的3个控制参数,而这3个参数很难由计算获得,在用Simulink仿真时,不会遇见这样的情况。基于MATLAB/Simulink仿真环境下的稳定边界法PID参数校正,其优点是非常直观,完全可视化操作,省去了编程的工作量。利用Simulink构建系统框图模型,系统模型如图1所示。得出整定的PID参数为:KP=0.02,K,=0.003s,Kd=js。 输出量的语言变量模糊集为:__KP,K;,KD={NB,NM,NS,0,PS,PM,PB}^T^Conuoue,^TW各个语言值的定义分别由给出的三角形隶属函数曲线来J描述。[7]_<"7~|根据以上规则可以确定KP、K,、Ko的模糊规则表,如c,ookT表1,表2,表3所示。图1PID控制Simulink仿真系统结构图表丄KP模糊规则表ec2.2斯密斯预估控制NBNMNSOPSPMPB斯密斯预估控制器是建立在模型基础上的一种控制算法,pB"“-""“-"“-"“-5^它能使具有大滞后的系统拥有更好的控制性能。该控制器的特^^^"一元^^^55~点是预先估计出过程在基本扰动下的动态特性,然后由预估器NSPMPMPMPM0PSPS进行补偿,力图使被延迟的被控量超前反映到控制量,使控制OPMPMPSONSNSNM提前动作,从而明显减小超调量,并加速调节过程[3]。其结构PSPSPS0NSNMNMNM图如图1所示。PSONSNMNMNMNBRucPB0ONMNMNMNBNB一"知G‘.钤G0?e~rs?Q^5表2Kj模糊规则e_TV_.C7。场NBNMNSOPSPMPB图2斯密斯预估控制系统结构图NBNBNBNMNMMSOONMNBNBNMNSNSOOG0(s)e~^为被控对象的传递函数

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