换热器过程

一个称为“搅拌罐”化学反应器描述如下。入口输送液体的顶部以在罐中进行混合。罐液体必须通过改变蒸汽的通过其控制阀供给到所述热交换器（底管）的量被维持在一个恒定的温度。在入口流的温度变化是在此过程中的扰动的主要来源。

图1：搅拌反应器与换热器。

利用实测数据模型热交换器动态

为了导出的热交换器特点的一阶加死区时间模型，在注射阀电压的阶跃扰动V并记录在水箱温度的影响Ť随着时间的推移。在归一化单位的测量的响应如下所示：

heatex_plotdata标题（“测量响应于步骤变化在蒸汽阀电压”）;

t1和t2是倍的值，其中响应无所获28.3％和其最终值的63.2％。您可以使用这些值来估计时间常数牛头和死区时间THETA对于换热器：

T1 = 21.8;T2 = 36.0;tau蛋白= 3/2 *（T2  -  T1）THETA = T2  -  tau蛋白

tau蛋白= 21.3000 THETA = 14.7000

通过比较所测量的响应中的第一阶加死区时间响应验证这些计算：

S = TF（'S'）;GP = EXP（-theta * S）/（1个+的tau * S）

GP = 1个EXP（-14.7 *秒）* ---------- 21.3 S + 1连续时间的传递函数。

保持上，步骤（GP），保持离标题（“实验与模拟响应于步骤变化”）;

该模型响应和实验数据有较好的一致性。类似的凸块测试实验可同时进行，以估计一阶响应于流入温度的工序扰动。配备了型号为热交换器和流入的干扰，我们准备设计的控制算法。

反馈控制

开环过程的框图表示如下所示。

图2：开环过程。

传递函数

模型如何在电压的变化V驱动蒸汽阀开口会影响容器温度Ť，而传递函数

车型如何变化d在流入温度影响Ť。为了调节水箱温度Ť围绕给定的设定点茶匙中，我们可以使用下面的反馈结构，以控制所述阀开口（电压V）：

图3：反馈控制。

在这种配置中，比例积分（PI）控制器

计算电压V基于间隙TSP-T期望的和测得的温度之间。您可以使用ITAE公式挑选适当的值，控制器参数：

KC = 0.859 *（THETA / TAU）^（ -  0.977）= TAUC（TAU / 0.674）*（THETA / TAU）^ 0.680 C = KC *（1 + 1 /（TAUC * S））;

KC = 1.2341 TAUC = 24.5582

要查看ITAE控制器执行得怎么样，靠近反馈环路和模拟到设定点变化的响应：

TFB =反馈（SS（的Gp * C），1）;步骤（TFB），网格上标题（“响应阶跃变化在温度设定值T_ {SP}”）ylabel（“坦克温度”）

响应速度也相当快一些超调。纵观稳定裕确认增益裕弱：

裕度（的Gp * C），网格

降低比例增益KC加强稳定性的性能为代价：

C1 = 0.9 *（1 + 1 /（TAUC * S））;％减少的Kc为1.23〜0.9余量（*的Gp C1），网格

步骤（TFB，'B'，反馈（SS（*的Gp C1），1），'R'）图例（'的Kc = 1.23'，'的Kc = 0.9'）

前馈控制

回想一下，在流入温度变化是在罐的温度波动的主要来源。到拒绝这样的干扰，以反馈控制的替代是如下所示的前馈结构：

图4： 前馈控制。

在这种结构中，前馈控制器F使用流入温度的测量来调节蒸汽阀开度（电压V）。因此前馈控制和预计的抢占流入温度变化的影响。

简单的计算表明，从温度扰动的整体转印d油箱温度Ť是

完善的抗干扰要求

在现实中，造型不准确防止确切的干扰抑制，但前馈控制将有助于减少温度波动，由于流入的干扰。要获得的前馈方案将如何执行，5秒钟增加到了理想的前馈延迟和模拟到流入温度阶跃变化的响应更好的感觉：

GD = EXP（-35 * S）/（25 * S + 1）;F =  - （21.3 * S + 1）/（25 * S + 1）* EXP（-25 * S）;TFF =的Gp * SS（F）+钆;％D-> T，带前馈控制传递步骤（TFF），网格标题（“一个阶跃扰动的影响流入温度”）ylabel（“坦克温度”）

组合前馈 - 反馈控制

反馈控制是一般的设定值跟踪的好，而前馈控制可以拒绝测量的扰动的帮助。接下来我们看一下两种方案相结合的好处。相应的控制体系结构如下所示：

图5：前馈 - 反馈控制。

利用连接建立从对应的闭环模型茶匙，d至Ť。名字的每个块的输入和输出通道，然后让连接自动接线图：

Gd.u ='d';Gd.y =“TD的;Gp.u ='V';Gp.y ='TP';F.u ='d';F.y ='Vf的';C.u ='E';C.y ='Vc的';SUM1 = sumblk（'E = TSP  -  T'）;SUM2 = sumblk（'V = VF + Vc的'）;SUM3 = sumblk（'T = TP + TD'）;Tffb =连接（的Gp，钆，C，F，SUM1，SUM2，SUM3，{“茶匙”，'d'}，'T'）;

到具有和不具有前馈控制比较闭环响应，计算用于反馈仅配置对应的闭环传递函数：

C.u ='E';C.y ='V';TFB =连接（的Gp，钆，C，SUM1，SUM3，{“茶匙”，'d'}，'T'）;

现在比较两种设计：

步骤（TFB，'B'，Tffb，'R--'），网格标题（“闭环响应设定点和干扰阶跃变化”）ylabel（“坦克温度”）图例（“仅反馈”，“前馈+反馈”）

这两个设计有设定值跟踪相同的性能，但是除了前馈控制的是抗扰动明显有益。这也是在闭环波特图可见

bodemag（TFB，'B'，Tffb，'R--'{1E-3,1e1}）图例（“仅反馈”，“前馈+反馈”，'位置'，'东南'）

交互式仿真

为了获得额外的洞察力和交互调整前馈和反馈增益，使用配套的GUI和Simulink®的模型。金宝app点击下面的链接，启动GUI。

打开换热器模型和GUI

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