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的設計與實現
一、選題背景
干燥技術對于我國來說有很重要的經濟意義，在工農業以及醫藥行業的生產過程中干燥器得到了廣泛的應用，在人們的生產和生活之中，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、棉花等經濟作物;燃料、煤、鐵、銅等礦物質;紡織產品、橡膠產品等成品。在工業過程中生產每件產品時，干燥技術都是很重要的一個環節，優質的完成干燥過程，對于以后的生產過程是很重要的。在現代工業生產過程之中，尤其是在糧食生產和醫藥生產的過程中，干燥器是工業中最常見的也是耗能最大的過程單元之一，從上世紀七十年代起，隨著科技的進步干燥技術有了很大的發展，這也使得人們認識到了干燥技術對于我們生活和生產的重要性，而且隨著科學技術的發展干燥技術和干燥設備也有了較大的發展。隨著時代的進步，由于經濟危機和能源危機的影響，企業對生產工藝和工廠的設備的要求也越來越高，所以對干燥器技術也提出了更高的要求，干燥技術和干燥理論方面發展到現在，己經取得了很大的進步。另外，根據現資料表明，仿真技術在現在的科研和技術應用中有著廣泛的應用。仿真技術一般集成了計算機技術、自動控制技術、網絡技術等多了技術領域的知識，它以數學原理、控制原理、系統技術原理等相關的應用領域作為基礎，它把各種數學理論和計算機應用技術作為手段，并使用系統數學仿真模型對實際的或假象的系統進行仿真研究的一門綜合性技術。在現在的工業控制技術之中，仿真技術通常是把控制策略放在有仿真被控對象的平臺上進行模擬，以達到檢驗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。從上世紀四十年代到今天，PID回路的單輸入、單輸出反饋控制系統己經在工業現場得到了廣發應用，以經典的PID控制理論為基礎，大多利用頻域分析辦法，進行控制系統的設計，即使現在DCS技術廣泛應用的今天，PID控制回路仍然有著廣泛的應用，大約占整個控制系統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典的控制策略，但是在現在的工業當中經常會遇到以后稱合性比較強、非線性和大滯后的過程對象，而且工業現場核心生產過程對象也存在這些特性，所以對先進的控制策略提出了迫切的需求。隨著計算機技術的發展，在計算機上可以解決以前遇到的，無法解決的問題，在上世紀八十年代，已經出現了一些軟件工具包來仿真一些先進控制策略，現在己經形成了以模型識別、參數的優化整定、算法優化和穩定性為研宄對象，以MPC為理論體系的先進控制策略。
先進控制方法和以前的經典PID控制相比較有很大的不同，先進控制算法一般都是以控制對象的模型為基礎，如：模型預測控制等，先進控制算法一般應用于過程對象比較復雜的工業現場，比如工業現場常遇到的非線性、大滯后、多種控制變量和被控變量之間關系比較復雜等，但是到現在為止，由于受到工業現場過程的不確定性和安全上的要求的影響，先進控制策略在現代的工業現場應用的還是比較少，所以我們研制的帶實時過程對象的仿真平臺將會對于先進算法在工業現場的應用和我國的經濟都有很大的幫助。由于受到工業現場安全性和經濟性的考慮，仿真實驗在工業現場進行是不現實的，為此，如果能夠讓先進控制在一個和實際工業現場近似的仿真平臺上進行大量的實驗和數據研宄，將會對控制的安全性取得很好的效果。也是因為這個原因，仿真技術己經廣泛的應用到了過程控制領域，并取得了很好的成績，得到了技術人員和科技人員的認可。但是我國現在的仿真系統和仿真軟件的研制，一般都是需要耗費大量的人力和物力，而且開發的周期比較長，擴展性又不太好，不利于廣泛的推廣。
二、研究目的和意義
隨著西門子的PCS7技術的不斷的發展和進步，把仿真技術與在工業現場廣泛應用的全集成自動控制系統PCS7想結合，利用PCS7所擁有的強大的仿真能力，能夠很容易的實現對工業現場較為真實的仿真，同時PCS7作為應用廣泛的工控軟件，在它上面進行的培訓和教育將會更加有實際的意義。流化床干燥系統本身就是一套復雜的過程對象，熟悉掌握的整個干燥過程運行的專業人員比較少，流化床干燥過程自動控制水平低，控制方法簡單落后，造成實際的流化床干燥的運行并不十分理想，干燥物料濕度遠遠小于其預期效率。針對上述問題，結合豐富的現場實際干燥工程的鍛煉和研究，利用仿真技術，開發流化床干燥仿真系統，對于教學研究和人員培訓，提高操作者素質，及在仿真系統的基礎上開展過程控制的優化操作與關鍵控制技術研究，探索研宄流化床干燥技術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
流化床干燥器技術起源于上世紀二十年代，流化床干燥器技術大規模的應用于工業上是在上世紀四十年代的美國，我國是在上世紀五十年過才有了此項技術。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濕物料呈懸浮狀，使得濕物料和熱氣體充分的接觸，進而濕物料被干燥。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、設備的投資也比較小、維修方便等優點，使得流化床干燥器有著廣泛的應用。隨著改革開放的發展，我國工業也有了很大的發展，同時使得干燥器的研宄的人員隊伍也在不斷的擴大，目前我國研宄流化床干燥器技術的科研院所和大中院校有五十家左右，涉及到的領域也很廣泛，比如：化工領域、醫藥領域、糧食領域、輕工業領域、食品領域等多個行業，全國共有流化床干燥器設備制造廠商六百多家，在我國流化床干燥的研究己經形成了一個很好的科研隊伍，這些科研人員通過努力己經在干燥器技術的基礎、工業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已經達到了國際的先進水平。我國生產的干燥器也取得了很大的進步，有部分機型己經出口到了國外。在工業生產的過程中，干燥器的重要性不只是表現在它對生產過程效率和能耗的影響，而且被干燥的物料的質量一般都生產過程中后續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品的質量，從而影響到工廠產品的市場競爭力和經濟效益。目前，我國的許多的經濟產品，在很多方面都已經達到甚至超過了國際的先進水平，然而由于受到干燥技術的落后使得我國產品的一些性能指標達不到要求，在于國外產品競爭中處于劣勢。從這些方面可以看出，我國的流化床干燥技術的研究和發展還是任重而道遠的，需要我們共同的努力。
仿真技術是以系統論、控制論、信息技術和相似原理為理論基礎，以專用設備和計算機為應用開發工具，利用系統對象模型對實際的或設想的系統進行模擬仿真，并對進行動態性的測試研究的一門綜合性技術[2]。仿真技術最早出現在上世紀五十年代，它最早是被應用在軍事領域的研宄和探索，到目前為止，仿真技術不僅應用于軍事領域，而且還廣泛的應用于各種工業領域，比如：化工、醫藥、電力、鋼鐵等各個領域，在這十幾年里，隨著計算機技術和仿真理論技術的發展，己經使得仿真技術不僅僅應用于工程應用領域了，而且還擴展到了非工程領域，比如：教育培訓領域、新能源領域、生態環境領域和生物醫生領域等多個領域。在最近的幾十年，仿真技術在我國有了長足的發展，已經經歷了逐漸被認識并逐漸被重視的過程，到現在為止，仿真技術在我國已經被應用到了人們生活和工業領域的各個方面了，比如：從工程設計、科學研究決策、優化運行直到教育培訓等各個方面，都展現了仿真系統能夠復現實際，智能分析、優化決策等優勢。目前，常用的仿真技術有實物仿真技術、半實物仿真技術和虛擬的仿真技術，而對于對安全和經濟效益要求比較高的工業現場，一般不用實物進行仿真研宄，而是用虛擬的仿真技術進行研宄。在虛擬的仿真技術里面，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點，比如編程效率高、高效方便的矩陣和數組運算、用戶方便使用和擴展性好等優點，但是應用到工業過程仿真領域與PCS7軟件相比較，它也有它的不足之處。目前，國內來說用PCS7軟件作為工業過程仿真軟件還不多見。西門子的PCS7工控軟件，在真個工業控制領域有著廣泛的應用，其在工業現場的應用也是比較成熟的，在西門子整個工業自動化控制系統的`基礎上，結合先進的全集成控制系統PCS7的仿真系統，開發出的仿真系統平臺將更加接近于工業現場的實際情況，對于技術人員的學習和調試有更加實際的指導意義。
四、本文研究的主要內容
流化床干燥器干燥技術成熟，干燥物料質量好，在我國應用廣泛。本文在對PCS7仿真系統的深入研宄和豐富的實際工業控制的經驗上，基于PCS7平臺開發流化床干燥器仿真系統，以實現在流化床千燥器仿真系統平臺的動態運行下，完成對過程控制學習者或者是干燥器技術的研究人員的培訓與科研，以及完成對流化床干燥器系統工作狀態的性能參數的優化控制研究。完成以下幾方面的任務：
1)對流化床干燥器工藝系統的結構特點，系統組成深入了解，并系統介紹流化床干燥器工藝的具體運行機理，分析敘述了流化床干燥器的各個運行單元和組成設備。
2)介紹了數學仿真模型建立的一般步驟，以及建立流化床干燥器數學仿真模型的指導思路，根據機理建模法以及假定的方法分別建立了進料口物料流量、換熱介質流量和熱空氣流量的數學仿真模型，并在質量守恒和能量守恒的基礎上建立了流化床干燥器內部的狀態方程。
3)在流化床干燥器系統數學模型建立的基礎之上，分析與建立流化床干燥器的各個單元的控制回路，并介紹了模型預測控制的基本概述，在此基礎之上設計與建立了流化床干燥器整個系統的控制方案。
4)在PCS7平臺上設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思想的介紹，以及對PCS7上建立仿真模型優點的介紹，完成了工程師站控制程序與WINCC組態監控畫面的制作。
5)介紹了完成模型預測優化控制和基礎級控制回路PID參數自整定控制方案。
6)在建立的流化床干燥器仿真系統平臺的基礎上，進行了動態的測試，檢驗了系統的穩定性和動態回路的特性，并驗證了模型預測控制應用在流化床干燥器的優越性。
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 課題研究現狀 9-11
1.2.1 流化床干燥器技術的發展現狀 9-10
1.2.2 仿真技術的研究現狀 10-11
1.3 本課題研究內容 11-12
2 流化床干燥器系統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及設備選型 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 流化床干燥器系統數學仿真模型的建立 17-24
3.1 建模的一般步驟 17-18
3.2 建立系統整體數學仿真模型概況 18-19
3.3 系統各個子單元建模 19-20
3.3.1 進料口物料流量數學仿真模型 19
3.3.2 換熱介質流量數學仿真模型 19-20
3.3.3 熱空氣流量數學仿真模型 20
3.4 流化床干燥器系統模型的建立 20-24
3.4.1 質量平衡方程 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學模型的確立 23-24
4 流化床干燥器系統先進控制方案的設計 24-30
4.1 流化床干燥器優化控制方案的設計 24-25
4.2 模型預測控制概述 25-27
4.2.1 模型預測控制的基本原理(MPC) 25-26
4.2.2 預測模型 26
4.2.3 滾動優化 26
4.2.4 反饋校正 26-27
4.3 系統各單元回路控制策略設計 27-28
4.3.1 進料口濕物料流量控制單元 27
4.3.2 換熱介質流量控制單元 27-28
4.3.3 輸送空氣流量控制單元 28
4.4 系統總體控制方案設計 28-30
5 基于PCS7的流化床干燥器仿真平臺的設計和實現 30-50
5.1 仿真平臺設計指導思想 30
5.2 PCS7在仿真平臺上的應用 30-33
5.2.1 PCS7軟件系統介紹 30-32
5.2.2 PCS7平臺下仿真系統的特點 32-33
5.3 流化床干燥器仿真系統在PCS7平臺上的實現 33-37
5.3.1 仿真平臺的技術路線 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組態畫面的建立 36-37
5.4 仿真系統平臺PID及MPC控制模塊參數優化整定 37-50
5.4.1 回路中PID控制模塊參數優化整定 37-44
5.4.2 基于PCS7仿真平臺的模型預測控制實現 44-50
6 仿真實驗及分析 50-57
6.1 仿真系統全自動運行 50-51
6.2 系統主要參數分析及過程參數優化實驗 51-57
6.2.1 系統主要參數分析 51-54
6.2.2 過程參數優化控制實驗 54-57
7 結論與展望 57-59
7.1 結論 57
7.2 展望 57-59
參考文獻 59-61
附錄 61-63
申請學位期間的研究成果及發表的學術論文 63-64
致謝 64
六、目前已經閱讀的主要文獻
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