控制工程論文開題報告范文

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　　論文題目：流化床干燥器仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　一、選題背景

　　干燥技術(shù)對于我國來說有很重要的經(jīng)濟(jì)意義，在工農(nóng)業(yè)以及醫(yī)藥行業(yè)的生產(chǎn)過程中干燥器得到了廣泛的應(yīng)用，在人們的生產(chǎn)和生活之中，要干燥的物料有各種各樣的，比如：玉米、大豆等糧食作物;木材、藥材、棉花等經(jīng)濟(jì)作物;燃料、煤、鐵、銅等礦物質(zhì);紡織產(chǎn)品、橡膠產(chǎn)品等成品。在工業(yè)過程中生產(chǎn)每件產(chǎn)品時，干燥技術(shù)都是很重要的一個環(huán)節(jié)，優(yōu)質(zhì)的完成干燥過程，對于以后的生產(chǎn)過程是很重要的。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程之中，尤其是在糧食生產(chǎn)和醫(yī)藥生產(chǎn)的過程中，干燥器是工業(yè)中最常見的也是耗能最大的過程單元之一，從上世紀(jì)七十年代起，隨著科技的進(jìn)步干燥技術(shù)有了很大的發(fā)展，這也使得人們認(rèn)識到了干燥技術(shù)對于我們生活和生產(chǎn)的重要性，而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展干燥技術(shù)和干燥設(shè)備也有了較大的發(fā)展。隨著時代的進(jìn)步，由于經(jīng)濟(jì)危機(jī)和能源危機(jī)的影響，企業(yè)對生產(chǎn)工藝和工廠的設(shè)備的要求也越來越高，所以對干燥器技術(shù)也提出了更高的要求，干燥技術(shù)和干燥理論方面發(fā)展到現(xiàn)在，己經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。另外，根據(jù)現(xiàn)資料表明，仿真技術(shù)在現(xiàn)在的科研和技術(shù)應(yīng)用中有著廣泛的應(yīng)用。仿真技術(shù)一般集成了計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多了技術(shù)領(lǐng)域的知識，它以數(shù)學(xué)原理、控制原理、系統(tǒng)技術(shù)原理等相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域作為基礎(chǔ)，它把各種數(shù)學(xué)理論和計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)作為手段，并使用系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型對實(shí)際的或假象的系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究的一門綜合性技術(shù)。在現(xiàn)在的工業(yè)控制技術(shù)之中，仿真技術(shù)通常是把控制策略放在有仿真被控對象的平臺上進(jìn)行模擬，以達(dá)到檢驗(yàn)控制策略的有效性的目的，并對被控對象模型和算法做出評價。從上世紀(jì)四十年代到今天，PID回路的單輸入、單輸出反饋控制系統(tǒng)己經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場得到了廣發(fā)應(yīng)用，以經(jīng)典的PID控制理論為基礎(chǔ)，大多利用頻域分析辦法，進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計，即使現(xiàn)在DCS技術(shù)廣泛應(yīng)用的今天，PID控制回路仍然有著廣泛的應(yīng)用，大約占整個控制系統(tǒng)回路的百分之九十左右，另外的百分之十一般采用的是串級或者其他經(jīng)典的控制策略，但是在現(xiàn)在的工業(yè)當(dāng)中經(jīng)常會遇到以后稱合性比較強(qiáng)、非線性和大滯后的過程對象，而且工業(yè)現(xiàn)場核心生產(chǎn)過程對象也存在這些特性，所以對先進(jìn)的控制策略提出了迫切的需求。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在計算機(jī)上可以解決以前遇到的，無法解決的問題，在上世紀(jì)八十年代，已經(jīng)出現(xiàn)了一些軟件工具包來仿真一些先進(jìn)控制策略，現(xiàn)在己經(jīng)形成了以模型識別、參數(shù)的優(yōu)化整定、算法優(yōu)化和穩(wěn)定性為研宄對象，以MPC為理論體系的先進(jìn)控制策略。

　　先進(jìn)控制方法和以前的經(jīng)典PID控制相比較有很大的不同，先進(jìn)控制算法一般都是以控制對象的模型為基礎(chǔ)，如：模型預(yù)測控制等，先進(jìn)控制算法一般應(yīng)用于過程對象比較復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場，比如工業(yè)現(xiàn)場常遇到的非線性、大滯后、多種控制變量和被控變量之間關(guān)系比較復(fù)雜等，但是到現(xiàn)在為止，由于受到工業(yè)現(xiàn)場過程的不確定性和安全上的要求的影響，先進(jìn)控制策略在現(xiàn)代的工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的還是比較少，所以我們研制的帶實(shí)時過程對象的仿真平臺將會對于先進(jìn)算法在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用和我國的經(jīng)濟(jì)都有很大的幫助。由于受到工業(yè)現(xiàn)場安全性和經(jīng)濟(jì)性的考慮，仿真實(shí)驗(yàn)在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行是不現(xiàn)實(shí)的，為此，如果能夠讓先進(jìn)控制在一個和實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場近似的仿真平臺上進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)研宄，將會對控制的安全性取得很好的效果。也是因?yàn)檫@個原因，仿真技術(shù)己經(jīng)廣泛的應(yīng)用到了過程控制領(lǐng)域，并取得了很好的成績，得到了技術(shù)人員和科技人員的認(rèn)可。但是我國現(xiàn)在的仿真系統(tǒng)和仿真軟件的研制，一般都是需要耗費(fèi)大量的人力和物力，而且開發(fā)的周期比較長，擴(kuò)展性又不太好，不利于廣泛的推廣。

　　二、研究目的和意義

　　隨著西門子的PCS7技術(shù)的不斷的發(fā)展和進(jìn)步，把仿真技術(shù)與在工業(yè)現(xiàn)場廣泛應(yīng)用的全集成自動控制系統(tǒng)PCS7想結(jié)合，利用PCS7所擁有的強(qiáng)大的仿真能力，能夠很容易的實(shí)現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場較為真實(shí)的仿真，同時PCS7作為應(yīng)用廣泛的工控軟件，在它上面進(jìn)行的培訓(xùn)和教育將會更加有實(shí)際的意義。流化床干燥系統(tǒng)本身就是一套復(fù)雜的過程對象，熟悉掌握的整個干燥過程運(yùn)行的專業(yè)人員比較少，流化床干燥過程自動控制水平低，控制方法簡單落后，造成實(shí)際的流化床干燥的運(yùn)行并不十分理想，干燥物料濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其預(yù)期效率。針對上述問題，結(jié)合豐富的現(xiàn)場實(shí)際干燥工程的鍛煉和研究，利用仿真技術(shù)，開發(fā)流化床干燥仿真系統(tǒng)，對于教學(xué)研究和人員培訓(xùn)，提高操作者素質(zhì)，及在仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開展過程控制的優(yōu)化操作與關(guān)鍵控制技術(shù)研究，探索研宄流化床干燥技術(shù)過程的最佳解決方案具有重大意義。

　　三、本文研究涉及的主要理論

　　流化床干燥器技術(shù)起源于上世紀(jì)二十年代，流化床干燥器技術(shù)大規(guī)模的應(yīng)用于工業(yè)上是在上世紀(jì)四十年代的美國，我國是在上世紀(jì)五十年過才有了此項(xiàng)技術(shù)。流化床干燥器在干燥的過程中將濕物料放置在分割板上，在干燥器的下部吹入熱空氣使?jié)裎锪铣蕬腋�狀，使得濕物料和熱氣體充分的接觸，進(jìn)而濕物料被干燥。流化床干燥器有很好的傳熱效果，被干燥物料的溫度分布也比較均勻、設(shè)備的投資也比較小、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，使得流化床干燥器有著廣泛的應(yīng)用。隨著改革開放的發(fā)展，我國工業(yè)也有了很大的發(fā)展，同時使得干燥器的研宄的人員隊伍也在不斷的擴(kuò)大，目前我國研宄流化床干燥器技術(shù)的科研院所和大中院校有五十家左右，涉及到的領(lǐng)域也很廣泛，比如：化工領(lǐng)域、醫(yī)藥領(lǐng)域、糧食領(lǐng)域、輕工業(yè)領(lǐng)域、食品領(lǐng)域等多個行業(yè)，全國共有流化床干燥器設(shè)備制造廠商六百多家，在我國流化床干燥的研究己經(jīng)形成了一個很好的科研隊伍，這些科研人員通過努力己經(jīng)在干燥器技術(shù)的基礎(chǔ)、工業(yè)和工藝研究方面取得了很大的成果，從而使得我國的干燥器技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國際的先進(jìn)水平。我國生產(chǎn)的干燥器也取得了很大的進(jìn)步，有部分機(jī)型己經(jīng)出口到了國外。在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，干燥器的重要性不只是表現(xiàn)在它對生產(chǎn)過程效率和能耗的影響，而且被干燥的物料的質(zhì)量一般都生產(chǎn)過程中后續(xù)的工序有很大的影響，所以干燥過程的好壞也直接影響到了最終產(chǎn)品的質(zhì)量，從而影響到工廠產(chǎn)品的市場競爭力和經(jīng)濟(jì)效益。目前，我國的許多的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品，在很多方面都已經(jīng)達(dá)到甚至超過了國際的先進(jìn)水平，然而由于受到干燥技術(shù)的落后使得我國產(chǎn)品的一些性能指標(biāo)達(dá)不到要求，在于國外產(chǎn)品競爭中處于劣勢。從這些方面可以看出，我國的流化床干燥技術(shù)的研究和發(fā)展還是任重而道遠(yuǎn)的，需要我們共同的努力。

　　仿真技術(shù)是以系統(tǒng)論、控制論、信息技術(shù)和相似原理為理論基礎(chǔ)，以專用設(shè)備和計算機(jī)為應(yīng)用開發(fā)工具，利用系統(tǒng)對象模型對實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，并對進(jìn)行動態(tài)性的測試研究的一門綜合性技術(shù)[2]。仿真技術(shù)最早出現(xiàn)在上世紀(jì)五十年代，它最早是被應(yīng)用在軍事領(lǐng)域的研宄和探索，到目前為止，仿真技術(shù)不僅應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，而且還廣泛的應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，比如：化工、醫(yī)藥、電力、鋼鐵等各個領(lǐng)域，在這十幾年里，隨著計算機(jī)技術(shù)和仿真理論技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)使得仿真技術(shù)不僅僅應(yīng)用于工程應(yīng)用領(lǐng)域了，而且還擴(kuò)展到了非工程領(lǐng)域，比如：教育培訓(xùn)領(lǐng)域、新能源領(lǐng)域、生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域和生物醫(yī)生領(lǐng)域等多個領(lǐng)域。在最近的幾十年，仿真技術(shù)在我國有了長足的發(fā)展，已經(jīng)經(jīng)歷了逐漸被認(rèn)識并逐漸被重視的過程，到現(xiàn)在為止，仿真技術(shù)在我國已經(jīng)被應(yīng)用到了人們生活和工業(yè)領(lǐng)域的各個方面了，比如：從工程設(shè)計、科學(xué)研究決策、優(yōu)化運(yùn)行直到教育培訓(xùn)等各個方面，都展現(xiàn)了仿真系統(tǒng)能夠復(fù)現(xiàn)實(shí)際，智能分析、優(yōu)化決策等優(yōu)勢。目前，常用的仿真技術(shù)有實(shí)物仿真技術(shù)、半實(shí)物仿真技術(shù)和虛擬的仿真技術(shù)，而對于對安全和經(jīng)濟(jì)效益要求比較高的工業(yè)現(xiàn)場，一般不用實(shí)物進(jìn)行仿真研宄，而是用虛擬的仿真技術(shù)進(jìn)行研宄。在虛擬的仿真技術(shù)里面，利用最多的仿真軟件就是常用的MATLAB軟件，這種軟件有它一定的優(yōu)點(diǎn)，比如編程效率高、高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算、用戶方便使用和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，但是應(yīng)用到工業(yè)過程仿真領(lǐng)域與PCS7軟件相比較，它也有它的不足之處。目前，國內(nèi)來說用PCS7軟件作為工業(yè)過程仿真軟件還不多見。西門子的PCS7工控軟件，在真?zhèn)�工業(yè)控制領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其在工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用也是比較成熟的，在西門子整個工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的`基礎(chǔ)上，結(jié)合先進(jìn)的全集成控制系統(tǒng)PCS7的仿真系統(tǒng)，開發(fā)出的仿真系統(tǒng)平臺將更加接近于工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際情況，對于技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和調(diào)試有更加實(shí)際的指導(dǎo)意義。

　　四、本文研究的主要內(nèi)容

　　流化床干燥器干燥技術(shù)成熟，干燥物料質(zhì)量好，在我國應(yīng)用廣泛。本文在對PCS7仿真系統(tǒng)的深入研宄和豐富的實(shí)際工業(yè)控制的經(jīng)驗(yàn)上，基于PCS7平臺開發(fā)流化床干燥器仿真系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在流化床千燥器仿真系統(tǒng)平臺的動態(tài)運(yùn)行下，完成對過程控制學(xué)習(xí)者或者是干燥器技術(shù)的研究人員的培訓(xùn)與科研，以及完成對流化床干燥器系統(tǒng)工作狀態(tài)的性能參數(shù)的優(yōu)化控制研究。完成以下幾方面的任務(wù)：

　　1)對流化床干燥器工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，系統(tǒng)組成深入了解，并系統(tǒng)介紹流化床干燥器工藝的具體運(yùn)行機(jī)理，分析敘述了流化床干燥器的各個運(yùn)行單元和組成設(shè)備。

　　2)介紹了數(shù)學(xué)仿真模型建立的一般步驟，以及建立流化床干燥器數(shù)學(xué)仿真模型的指導(dǎo)思路，根據(jù)機(jī)理建模法以及假定的方法分別建立了進(jìn)料口物料流量、換熱介質(zhì)流量和熱空氣流量的數(shù)學(xué)仿真模型，并在質(zhì)量守恒和能量守恒的基礎(chǔ)上建立了流化床干燥器內(nèi)部的狀態(tài)方程。

　　3)在流化床干燥器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立的基礎(chǔ)之上，分析與建立流化床干燥器的各個單元的控制回路，并介紹了模型預(yù)測控制的基本概述，在此基礎(chǔ)之上設(shè)計與建立了流化床干燥器整個系統(tǒng)的控制方案。

　　4)在PCS7平臺上設(shè)計與建立了流化床干燥器的仿真模型。通過對仿真平臺指導(dǎo)思想的介紹，以及對PCS7上建立仿真模型優(yōu)點(diǎn)的介紹，完成了工程師站控制程序與WINCC組態(tài)監(jiān)控畫面的制作。

　　5)介紹了完成模型預(yù)測優(yōu)化控制和基礎(chǔ)級控制回路PID參數(shù)自整定控制方案。

　　6)在建立的流化床干燥器仿真系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了動態(tài)的測試，檢驗(yàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)回路的特性，并驗(yàn)證了模型預(yù)測控制應(yīng)用在流化床干燥器的優(yōu)越性。

　　五、寫作提綱

　　摘要 3-4

　　ABSTRACT 4-5

　　1 緒論 8-12

　　1.1 選題背景及研究意義 8-9

　　1.2 課題研究現(xiàn)狀 9-11

　　1.2.1 流化床干燥器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 9-10

　　1.2.2 仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀 10-11

　　1.3 本課題研究內(nèi)容 11-12

　　2 流化床干燥器系統(tǒng)的工藝流程及控制要求 12-17

　　2.1 流化床干燥器的分類 12-13

　　2.2 流化床干燥器工藝流程 13-14

　　2.3 流化床干燥器主要控制系統(tǒng)及設(shè)備選型 14-15

　　2.3.1 給料單元 14

　　2.3.2 換熱單元 14

　　2.3.3 空氣輸送單元 14-15

　　2.3.4 物料輸出單元 15

　　2.4 流化床干燥器的控制要求 15-17

　　3 流化床干燥器系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真模型的建立 17-24

　　3.1 建模的一般步驟 17-18

　　3.2 建立系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)仿真模型概況 18-19

　　3.3 系統(tǒng)各個子單元建模 19-20

　　3.3.1 進(jìn)料口物料流量數(shù)學(xué)仿真模型 19

　　3.3.2 換熱介質(zhì)流量數(shù)學(xué)仿真模型 19-20

　　3.3.3 熱空氣流量數(shù)學(xué)仿真模型 20

　　3.4 流化床干燥器系統(tǒng)模型的建立 20-24

　　3.4.1 質(zhì)量平衡方程 21-22

　　3.4.2 能量守恒方程 22-23

　　3.4.3 流化床干燥器仿真數(shù)學(xué)模型的確立 23-24

　　4 流化床干燥器系統(tǒng)先進(jìn)控制方案的設(shè)計 24-30

　　4.1 流化床干燥器優(yōu)化控制方案的設(shè)計 24-25

　　4.2 模型預(yù)測控制概述 25-27

　　4.2.1 模型預(yù)測控制的基本原理(MPC) 25-26

　　4.2.2 預(yù)測模型 26

　　4.2.3 滾動優(yōu)化 26

　　4.2.4 反饋校正 26-27

　　4.3 系統(tǒng)各單元回路控制策略設(shè)計 27-28

　　4.3.1 進(jìn)料口濕物料流量控制單元 27

　　4.3.2 換熱介質(zhì)流量控制單元 27-28

　　4.3.3 輸送空氣流量控制單元 28

　　4.4 系統(tǒng)總體控制方案設(shè)計 28-30

　　5 基于PCS7的流化床干燥器仿真平臺的設(shè)計和實(shí)現(xiàn) 30-50

　　5.1 仿真平臺設(shè)計指導(dǎo)思想 30

　　5.2 PCS7在仿真平臺上的應(yīng)用 30-33

　　5.2.1 PCS7軟件系統(tǒng)介紹 30-32

　　5.2.2 PCS7平臺下仿真系統(tǒng)的特點(diǎn) 32-33

　　5.3 流化床干燥器仿真系統(tǒng)在PCS7平臺上的實(shí)現(xiàn) 33-37

　　5.3.1 仿真平臺的技術(shù)路線 33-34

　　5.3.2 PCS7軟件平臺總計描述 34-35

　　5.3.3 建立CFC功能圖 35-36

　　5.3.4 建立SFC功能圖 36

　　5.3.5 WINCC組態(tài)畫面的建立 36-37

　　5.4 仿真系統(tǒng)平臺PID及MPC控制模塊參數(shù)優(yōu)化整定 37-50

　　5.4.1 回路中PID控制模塊參數(shù)優(yōu)化整定 37-44

　　5.4.2 基于PCS7仿真平臺的模型預(yù)測控制實(shí)現(xiàn) 44-50

　　6 仿真實(shí)驗(yàn)及分析 50-57

　　6.1 仿真系統(tǒng)全自動運(yùn)行 50-51

　　6.2 系統(tǒng)主要參數(shù)分析及過程參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn) 51-57

　　6.2.1 系統(tǒng)主要參數(shù)分析 51-54

　　6.2.2 過程參數(shù)優(yōu)化控制實(shí)驗(yàn) 54-57

　　7 結(jié)論與展望 57-59

　　7.1 結(jié)論 57

　　7.2 展望 57-59

　　參考文獻(xiàn) 59-61

　　附錄 61-63

　　申請學(xué)位期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 63-64

　　致謝 64

　　六、目前已經(jīng)閱讀的主要文獻(xiàn)

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