太陽能硅片酸洗池溫度控制系統(tǒng)設計【獨家畢業(yè)課程設計帶任務書+開題報告+外文翻譯】,太陽能,硅片,酸洗,溫度,控制系統(tǒng),設計,獨家,畢業(yè),課程設計,任務書,開題,報告,講演,呈文,外文,翻譯 熱校準風洞氣體溫度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) i, 要 ： 本文的設計與實現(xiàn)的熱校準風洞的熱氣體溫度控制系統(tǒng)。根據(jù)熱校準風洞氣體溫度的控制要求，燃油供給系統(tǒng)基于變頻調速控制技術和比例節(jié)流閥設計。為了提高控制系統(tǒng)的自動化水平，設計了計算機控制系統(tǒng)、包括 工業(yè)的個人電腦。在此基礎上分析了系統(tǒng)的動態(tài)特性，并建立系統(tǒng)的數(shù)學模型。解決系統(tǒng)的特點， 一、簡介 熱校準風洞 (一種重要的實驗系統(tǒng)，它是用于模擬熱測試環(huán)境的高溫和高速氣流 [1]。測試環(huán)境的高溫和高速氣流形成劇烈燃燒的高速氣流和航空煤油在燃燒室一定的流 量 。高溫、高速氣流條件下的溫度測試在航空航天技術領域是非常重要的，特別是在航空發(fā)動機的設計開發(fā)、檢驗和高溫度傳感器的動態(tài)校準。為了確保 供穩(wěn)定的測試環(huán)境的溫度，該氣體需要 考慮到在 一定 實驗階段內 氣流速度是一個常數(shù)，所以氣體的溫度主要由燃料的流速決定。本文采用一種包括變頻泵和比例節(jié)流閥來調節(jié)燃料熱校準風洞中的流量，達到控制氣體溫度的要求，實現(xiàn)氣體溫度的控制方法。 眾所周知，溫度是一個典型的過程控制參數(shù)，與一些典型的特征，例如大慣性、大滯后和時變性，因此精確地控制溫度，存在一些困難 ;此外， 速氣體和煤油之間的化學反應（燃燒）產生的，這使得系統(tǒng)存在不確定性和外部干擾，并且較高的控制精度的要求和溫度范圍，使控制難度進一步增加。因此，它 很難利用傳統(tǒng)的控制方法達到令人滿意的結果 雖然最近開發(fā)的智能控制為過程控制帶來了曙光，它的理論還不完善，是理論研究大于實際應用。因此，迫切需要一種控制方法是進行氣體溫度的精確控制。 溫度控制有著廣泛的應用。 et [2] 開發(fā)了一種級聯(lián)神經(jīng) 度控制系統(tǒng)，用于控制過熱蒸汽。 et [3] 提出了基于物理模型通過均勻加料預測控制壓縮點火燃燒的溫度控制。 Xu et [4] 研究高溫多相流風洞溫度控制利用遺傳算法整定 解決長設置時間的 得了良好的效果。 et [5] 新增免疫遺傳算法對 et 6]提出多回路模型的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)，并利用非線性控制方法實現(xiàn)溫度控制。 et [7] 研究了的氣體通過使用增量模糊 為實現(xiàn) 計控制系統(tǒng)的氣體溫度為 場 制系統(tǒng)和遠程 制系統(tǒng)。并在此基礎上，在系統(tǒng)中的特性，如時延，難以建立精確的數(shù)學模型， 級控制規(guī)律，提出了實現(xiàn) 二、控制系統(tǒng)的工作原理 該 用高速氣流作為助燃劑，航空煤油為燃料在實驗中，在燃燒的高溫噴射流形成周圍試樣均勻和穩(wěn)定溫度場以及模擬高溫測試環(huán)境試樣中遇到高速氣流。為了產生均勻、穩(wěn)定的溫度場， 試系統(tǒng)配備控制系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、空氣流速系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等。 1 所示。整個系統(tǒng)由燃料供應子系統(tǒng)、 控制子系統(tǒng)組成。燃料供應子系統(tǒng)包括電機泵、可變頻率驅動器 (電液比例流量調節(jié)閥 (電 磁閥、管道和齒輪流量計等。它提供航空煤油流量符合燃燒室的 要求。燃料供應子系統(tǒng)的操作程序如下：首先，啟動系統(tǒng)和供應燃料點火器，然后，供應燃料燃燒室點火成功后，關閉點火燃料電路?？刂谱酉到y(tǒng)包括工業(yè)控制計算機 (可編程邏輯控制器 (。遠程控制器 流量計、流量信號發(fā)送到 后這些信號將發(fā)送到 過 485 總線。考慮到 操作能力是有限的，其具體的控制算法在 成，然后 向 送控制命令， 實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制 圖 1 工作原理 I 系統(tǒng)設計 體溫度控制系統(tǒng)的設計包括燃料供給系統(tǒng)、現(xiàn)場控制系統(tǒng)和遠程 制方案的設計。 因為有很多類型 同的 料流量有不同的要求。積算溫度要求為每個風洞表明， 的溫度控制范圍是 200 ~ 2000℃ ，相應的燃料流量范圍 。對于燃料流量需求廣泛，本文在燃料供應系統(tǒng)的設計中使用復雜的流量控制解決方案。即采用變頻調速泵實現(xiàn)大流量的控制，并使用比例節(jié)流閥來實現(xiàn)小流量的控制。以下將介紹燃料供應系統(tǒng)的設計，從三個方面 ：功能，組成及工作原理。 功能：提供燃料到三個不同風洞的燃燒室噴嘴，并確保燃料以滿足測試要求的壓力和流量速度。 組成：設計的燃油供給系統(tǒng)的液壓原理圖圖 2 所示。圖中顯示，它是由兩個獨立的燃料供應系統(tǒng)，即主要燃料供應系統(tǒng)和輔助燃料供應系統(tǒng)，可以提供燃料給主燃燒器和三個輔助燃燒室風洞。每個燃料供給系統(tǒng)由燃料箱、過濾器、泵、電液比例節(jié)流閥，電磁泄壓閥、電磁閥、手動閥、止回閥、流量計、壓力傳感器、儀表和其他組件組成。 圖 2 燃油供給系統(tǒng)液壓原理圖 工作原理：工作原理和控制主燃料供給系統(tǒng)和輔助燃料供應系統(tǒng)的過程是相同的，即變頻泵控制和比例節(jié)流閥控制相結合的調節(jié)方案。燃料供給系統(tǒng)的工作原理是當流量設定的值較大 ()，關閉 由泵控制燃燒室的流量 ;流量設定的值時較小 ()，在 通過 裝在燃油電路的旁路控制流量的燃燒室。因為 比例閥有更大的調節(jié)范圍和更高的分辨率，可與閉環(huán)補償流量來控制實現(xiàn)流量大規(guī)模和精確控制。 液壓原理圖，圖 2 所示，實際的燃料供應系統(tǒng)的實施。缸、泵、馬達、機油過濾器，比例節(jié)流閥被安裝在泵的房間里，如圖 3 所示。電磁閥、流量計、壓力傳感器和手動截止閥分別安裝在風洞實驗的領域中，如圖 4 所示。 圖 3 在水泵房設備 圖 4 在字段中的設備 現(xiàn)場控制系統(tǒng)采用 動停止狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，報警 和燃料流量的閉環(huán)控制。 為了完成控制系統(tǒng)的安裝，設計了燃料控制柜?？刂葡到y(tǒng)的主要組件被安裝在燃料控制柜：這些組件包括 鈕，燈，文本顯示儀表，數(shù)字顯示儀表，繼電器，溫度采集儀器儀表。此外，為了防止電磁干擾，一個 和燃料控制柜由若干三芯電纜連接，并可以從 控制信號傳輸?shù)? 本文中的 塊是西門子 于大量的信號在系統(tǒng)中，因此，設計的系統(tǒng)，選擇多個 些 塊包含一個主模塊 26，兩個22繼電器輸出模塊，一個 輸出模塊，兩個 擬量輸出模塊和兩個 擬量輸入的模塊。 燃料控制柜和 5 和圖 6 所示。 可靠性高，靈活的系統(tǒng)設計，易于控制，抗干擾能力強和較高的性價比等優(yōu)點。但是，它也有缺點，其中之一是 制系統(tǒng)的接口主要是由組成的按鈕、開關、燈等，各種數(shù)據(jù)曲線不能實時顯示。第二個是 以一些復雜的控制算法不能由它實現(xiàn)。因此，在實現(xiàn)制系統(tǒng) 的基礎上， 制系統(tǒng)的開發(fā)是為了繼承和擴展 功能。在本文中，遠程監(jiān)測和控制該 C++作為一種開發(fā)語言 圖 5 燃油控制柜 圖 6 變頻控制柜 根據(jù)系統(tǒng)的要求，本文遠程監(jiān)測和控制系統(tǒng)需要以下功能： (1)讀取數(shù)字 獲取在 保正確顯示的各種狀態(tài) ;（ 2）讀取 力和頻率，以確保在 （ 3）發(fā)送命令到 寫入一個值到 便遠程計算機控制系統(tǒng)可以控制 系統(tǒng)啟停、點火、控制流量 ;（ 4）讀取溫度寄存器儀表的值，從而使風洞內的氣體溫度以曲線形式顯示在 5）實現(xiàn)了燃料流量和氣體的溫度的控制算法，并將算法輸出值發(fā)送到控制變頻器或 而實現(xiàn)燃料流量和氣體溫度控制。遠程監(jiān)測與控制系統(tǒng)的主界面如圖 7 所示。 圖 7 遠程控制系統(tǒng)主界面 Ⅱ 系統(tǒng)建模 A 燃料供應系統(tǒng)的流量模型 因為燃料供應系統(tǒng)有兩種不同模式的操作，泵控制模式和 制模式，因此，將分別建立每個模式 下的數(shù)學模型。 傳遞函數(shù)之間的泵的輸出流量 以通過引用文獻 [8控制模式下 電壓頻率比 ;增益頻率 f 與 輸入的控制電壓 比； 位移 ， 單位 r； 是電機軸的轉動慣量，單位 kg*m2;電機極對數(shù) ; R'2是轉子的等效電阻，單位Ω； 機軸的阻尼系數(shù)，單位 N*m*s/ 我們認為該比例閥為一階慣性和比例放大器作為 制模式下的比例部分，然后輸出流量的比例閥 比例放大器的輸入的電壓 間的傳遞函數(shù)可以表示為 閥芯位移驅動系數(shù)，單位 m* 流量系數(shù)； 放大器增益，單位 A* 是 地區(qū)梯度 ，單位 m;T 時間常數(shù) ；ρ 燃料密度， kg/v 是 操作壓，單位 因為 燃燒室的燃料流量等于所述泵的輸出流量減去 輸出流量，因此，燃料供給系統(tǒng)的整體流量模型可以表示為 該 以作為集中的參數(shù)系統(tǒng)，根據(jù)能量守恒的定律，認為系 統(tǒng)溫度有τ秒的時間延遲，因此，氣體的溫度和燃料流量之間的傳遞函數(shù)可參照文獻 [10]。它可以表示為 H 是熱值的燃料， J/ 是燃燒室的體積， ρ kg/J ( )；ρ kg/s； K 是燃燒室壁的傳熱系數(shù)， W/（ ℃） ; kg/m3;冷卻水的流量， m3/s;冷卻水的比熱容， J/（ ） ; α 和 β 是比例因子。 三、控制器的設計 整個系統(tǒng)的控制方案如圖 8 所示。它是一個典型的串級控制系統(tǒng)。內環(huán)控制系統(tǒng)以流量作為控制目標和外環(huán)控制系統(tǒng)以溫度為控制目標。外環(huán)控制系統(tǒng)的輸出是輸入的內部控制系統(tǒng)，形成了一種串級控制系統(tǒng)。 圖 8 系統(tǒng)的控制方案 控制器的設計 從第四節(jié) 燃料供應系統(tǒng) 的流量模型 在兩種控制模式，是一個簡單的一階慣性系統(tǒng)，因此，為了簡單起見，本文選擇 其中 應用最廣泛的用該算法 作為控制器內部循環(huán)流量。 由于增量式 用在最 廣泛地 的 計算機控制系統(tǒng)，本文選取的增量式 制規(guī)律作為控制器，其方程可參照文獻 [11]。 比例、積分、微分系數(shù)。 從 (5)和 (6)，增量式 為 計算機控制系統(tǒng) 的執(zhí)行 是非常方便的，因為它只需要存儲最后三個采樣 誤差 e(k)、 e( e（ 從第四節(jié) 該 系統(tǒng)的溫度模型是一個純時滯的系統(tǒng)，模型不夠精確，因為在建模過程中有一些假 設 。此外，該系統(tǒng)的溫度模型也是不 確定的 系統(tǒng)參數(shù)；因為 這些 系統(tǒng)參數(shù)是 不在相同的 馬赫數(shù)（風速）。 該 系統(tǒng) 的 兩個特點增加了系統(tǒng)的控制難度。所以很難通過使用簡單的 態(tài)矩陣控制）是一種基于階躍響應被控對象的模型預測控制算法。該方法有一些特性，例如 大時滯、多變量、 不確定性、 強耦合和難以建立精確的數(shù)學模型， 并 已成功應用在許多工業(yè)過程控制系統(tǒng) [12]。因此，本文選擇 制法由三部分 組成 ，即模型預測，滾動優(yōu)化和反饋校正。模型預測控制主要用于預測模型的未來輸出。在第一階段的模型預測， 樣品 1， 2， ...， 設該系統(tǒng)將 k）作為初始輸出值， △u（ k）是在 k）（ k+i）， 0<=i<=時間點的初始輸出值，以及當在 當有 時間點增量 M，系統(tǒng)在這樣的預測下輸出值 △ u M（ K）， △ u M（ K+1）， ...， △ u M（ K+在 其中 N 是建模的時域 ;P 是預測 的時間域 ;M 是控制的時域 ; k） 是在未來的 P 時間點 的 系統(tǒng)的預測的輸出； △ u M（ K） 是從這個時間點 M 控制增量 ;元素是 階躍響應 系統(tǒng)描述的動態(tài)特征系數(shù)。它可以表示為 滾動優(yōu)化主要根據(jù)最優(yōu)性能指標用于計算控制增量。最優(yōu)指標可以表示為 在 q 和 r 加權系數(shù)，代表跟蹤誤差的抑制和增量的控制。 輸出控制增量可以得出上述最優(yōu)指標 反饋校正用來糾正模型預測誤差。方法是 ： 首先使用Δ uM(k) 的第一個元素來計算控制輸出，并預測未來該系統(tǒng)的輸出 y k)和該系統(tǒng)可以通過控制輸出的實際的輸出 y (k +1)，然后可以由預測誤差的第一個元素 y k)計算出，即 y k+1|k) (k)即 。它可以表示為 因此，使用加權系數(shù)我 hi(i= 1， 2， ...， N)，可以獲得如下預測值的校正值： 四、實驗 在本節(jié)中，實驗研究已通過使用該控制系統(tǒng)和控制方法進行本文 設計的 躍 響應系數(shù)和 中給出。因為設計的燃料供應系統(tǒng)有兩種不同的操作模式，即高溫度和流量大情況下使用泵控制模式，在溫度低 和 流量小 情況 下 ， 使用比例節(jié)流閥控制 方 式 。 所述 在 兩種模式分別實現(xiàn)。 氣體溫度階躍 響應 的結果從 1100℃ 到 1300℃ （風洞的類型是 900 ℃ 洞）在泵控制模式顯示在圖 9中，氣體溫度從 400℃ 到 600℃ （風洞的類型是400℃ 風洞 ）在比例節(jié)流閥控制模式下 階躍響應 結果 顯示在 圖 10。從實驗結果中，可以看 出： 在泵模式中，系統(tǒng)的響應時間是大約 15秒 ， 溫度的穩(wěn)態(tài)誤差大約為 10℃ ，溫度無超調 ；在閥模式中，該系統(tǒng)的響應時間是大約 30秒，溫度的穩(wěn)態(tài)誤差大約為 10℃ ，溫度無超調。響應時間的差異是由不 同的控制模式和不同類型的兩個實驗風洞引起的。從整體實驗的結果，可以看出，本文設計的 可以實現(xiàn)的 制精度是 ±10℃ 左右。 表一 相關參數(shù) 圖 9 在泵控制模式下的實驗結果 圖 10 在閥門控制模式的實驗結果 五、結論 在本文中，首先，氣體溫度自動控制系統(tǒng)設計了根據(jù)控制要求的氣體溫度和熱校準風洞的氣體溫度控制中的實際問題?？刂葡到y(tǒng)的設計包括設計的燃料供給系統(tǒng)、 現(xiàn)場控制系統(tǒng)和遠程 制程序的設計。然后建立了外環(huán)內環(huán)和溫度模型中的流量模 型，并分析了該系統(tǒng)的動態(tài)特性。在此基礎上，根據(jù)系統(tǒng)模型的特點提出了 級控制方案。 最后，該實驗結果是在兩個不同的控制下進行，通過使用該控制算法模式。實驗結果表明： 所提的串級控制算法在兩種不同的控制模式的控制精度為 ±10℃ 左右，溫度有無超調 ;由于 不同的控制模式和不同類型的兩個實驗風洞，這兩個實驗的響應時間是不同的 ， 系統(tǒng)的響應時間為約 15秒的泵模式（風洞的類型是 900 ℃ 的風洞 ）和 30秒在閥模式（風洞的類型是 400 ℃ 風洞 ）。 參考 文獻 [1] S. L. . “1700°C 20,2000. [2] J. F. M. G. . “of 51, 2012. [3] A. K. P. . “ 20, 2012. [4] T. X. Pu . “ ID on a in a 4142010. [5] L. . “of in ID P 4, , 2012. [6] M. T. J. . “ 2008. [7] J. . “of I a 2003. [8] “ 2003. [9] . “of by 2011. [10] F. . “of of 16, 2012. [11] Z. 005. [12] J. 1979.