本科毕业设计外文翻译.docx

大连民族大学
本科毕业设计外文翻译
学院: 机电工程学院
专业(班级): 自动化 122
学生姓名: 段磊
指导教师: 陈晓云
2016年 4月25日
译自:Optimal linear PI fuzzy controller design of a heat exchanger
换热器最优线性PI模糊控制器的设计
摘要:这个研究的目的是通过优化线性比例积分模糊控制器,改进换热器的控制。这个控制器的设计是基于使用高阶的有限维度、由偏微分方程描述的近似模型,并通过换热器的无限维度近似模型导出。该设计过程包括优化线性模糊控制器的比例因子,由其中目标函数是积分误差测量,并且约束是模糊和常规PID增益之间的关系解决从配制约束优化的简化发出的无约束优化问题。该问题通过使用MATLAB工具盒和Simulink的结合使用而解决。通过仿真,换热器的参数会被计算出来,然后得到的结果会表明相对于传统控制器,模糊控制器有着更加良好的控制性能。
关键字:分布参数系统;热交换;偏微分方程;PID模糊控制;最优
1 介绍
换热器是一种改变两种液体温度分布的装置,特别是在制造业上,许多换热器工作在开环系统,因此它的性能是由它的自身结构和机械设计决定的。实际使用中,如果温度分布,即换热器的性能,误差超限,解决方法则是更换一个新的换热器,因为原系统缺少合适的反馈控制设计,而且对换热器模型进行动态分析和控制系统设计很不容易。
另外,换热器的动态模型是由偏微分方程描述的,故他是真无穷维系统,这使得它难以应用理论去设计开发集中参数控制系统。
大量的文献中可以找到对换热器温度分布的控制。近似技术一般应用于动态分析和控制系统设计,而这些控制系统由离散的原始偏微分方程得来,所得的阶次必须足够高,以获得更高的精确度。离散化后,许多现有的理论和技术便可用于集中参数系统。使用这样的近似技术,如果使用低阶的近似模型,可控制性能是有限的、不精确,所以高阶近似模型被希望获得更好的控制性能,但这样的控制系统设计实现不了。此外,使用近似模型要考虑控制器的设计与实际的过程模型之间的匹配问题。
为了克服上述的失配影响,模糊控制在这种系统模型变得复杂和不准确的情况下很好的标明并提供合理有效的方法替代传统的控制器,并且不允许在未匹配的情况下进行精确描述。模糊逻辑控制技术已经发展了许多成功的应用,并且
已展现了显著的性能改进。然而,相对于成熟的线性控制理论来说对比分析设计技术不成熟,模糊控制器的设计仍然是一个艰巨的任务。尽管模糊控制器具有比较容易理解的优点,但控制器调谐是复杂的不透明的,它设计许多设计参数,而且在大多数情况下,模糊控制器的设计是通过使用计算机反复实验模拟的。这项工作是发展线性PID模糊控制器的优化设计的尝试,将其应用到设计一个线性的PI模糊控制器,利用高阶的好的近似模型提高换热器的性能。该方法的主要优势是可利用仿真软件MATLAB代码求解得到模糊控制器参数优化数值和缩放因子。
本文的思路如下:首先介绍了壳管式换热器的模型和用于控制设计的有限维近似模型,提出了控制策略。然后提出了最优PID线性模糊控制器的设计过程,最后,通过仿真比较传统的PI控制器与优化后的性能。
2 壳管式换热器模型
流程
流体密度为,比热容,以速度流经壳管式换热器的管,如图1所示;流体入口温度,它进入换热器被高温蒸汽加热,温度为;管具有均匀的横截面积,长度为,总体积。用于热传递的表面积为,传热系数。
蒸汽通过壳管式换热器
这个理论模型的预测是流体温度T(z,t)与时间t和位置z的变化关系,用对流项和热交换周期表示如下:
其中()
设入口为z=0,换句话说:
()
初始条件通常是一些给定的初始温度分布,如:
时, ()
为了控制温度分布,至少两个控制方案可以采用。第一种是使用蒸汽温度作为控制信号,另一种是使用入口条件作为控制信号。这项研究中,采用的是第一个方案。假设存在一个执行器和位于的传感器(L为热交换器长度)。
假设控制器输出为:
()
通过梯形法则中的应用,用∆z=L/n(n是在定期子区间[0,L]中通过离散空间域的数量)和zi=i∆z(i=0,…,n)。注意z0=0和zn=L。
蒸汽温度对壳管壁将被视为操纵变量,是单位分布函数,蒸汽管道入口温度被视为干扰因素。用于过程参数的值是u=1ms-1,L=1m和a=-1。
由于仅仅假设上视操纵变量为Tstt,这里假定不能依赖空间变量z,这个稳态问题Tssz通过解决:
0=-udTsszdz+aTst-Tssz ()
从而得到:
()
T0已知并且一个恒定的温度Tst可得,是Tssz的一个根。
有限维近似法
提