摘 要

温度是对加热器进行研究的一个重要的被控参数，为了能够取得很好的控制效果，对加热器建立模型并对模型进行分析和研究是十分必要的。模型的建立，可以很好的体现系统输入与输出之间的关系，以便控制器参数的整定和系统的调试。利用模型进行仿真研究也可以促进工业优化，对装置进行改进，提高安全生产效率。

本文研究的加热器主要是用来模拟核电站的热源核反应堆，单个加热器不能够很好的模拟核反应堆温度分布不均匀的情况，且只有单个入水口和出水口。所以本文不仅对单加热器进行了建模与控制的研究，同时也对多加热器进行了研究分析。本次设计采用三个加热器并联的形式，对每个加热器分开独立控制，而且可以通过设置流过每个加热器的电流的不同，可以让每个加热器所加热的水温在同一个水平面上的流体温度不同，能够更好的模拟核电站核反应堆温度分布不均匀的情况，起到很好的模拟效果。由于加热器功率的限制，控制电流不能超过某个限定值。因此当偏差继续存在时，但控制器的输出已经超过了执行器的上限，执行器不会起作用，积分作用一直存在，这就出现了积分饱和问题。本文对加热器了三种控制算法，分别是普通PID、抗积分饱和PID、模型预测控制。对这三种的控制算法在MATLAB中进行了仿真研究，经过波形对比发现，模型预测控制的效果最好。

关键词：数学模型;PID控制;抗积分饱和;模型预测控制;仿真

Abstract

Temperature is an important parameter to be controlled in the study of the heater, in order to be able to get a good result, it is necessary to establish the model and analyze the model. The establishment of the model can well reflect the relationship between input and output of the system, so as to adjust the parameters of the controller and the debugging of the system. Using the model simulation research can promote industrial optimization and improve the device and the efficiency of production safety.

In this thesis, the heater is mainly used to simulate the heat source reactor of nuclear power plant, a single heater can not simulate the uneven temperature distribution of nuclear reactor and there is a single inlet and outlet. So not only a single heater is studied and analyzed, but also multi-heater were studied and analyzed in the thesis. This design uses three heaters in parallel form and control each heater separately. By setting different current flowing through each heater we can make different fluid temperature on the same horizontal plane, better able to simulate the uneven temperature distribution of nuclear power plant and make good effect. Because of the limit of the heater power, the control current can not exceed a certain limit. Therefore, when the deviation continues to exist, but the controller output has exceeded the upper limit of the actuator, the actuator does not work, there has been integral action, which appeared integral saturation problem. This thesis uses three heater control algorithms, which are common PID, anti-windup PID, model predictive control. These three control algorithm was simulated in MATLAB, through the waveform comparison, model predictive control is the best.

Key Words : mathematical model; PID control; Anti-windup; MPC; simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外研究情况 1

1.3 研究的基本内容 2

第2章 模型的建立 4

2.1 NPCTF简介 4

2.2 热传递 5

2.3 单加热器的建模 8

2.3.1 单加热器的微分方程 9

2.3.2 单加热器的传递函数 10

2.3.3 创建单加热器的自定义模块 11

2.4 多加热器的建模 12

第3章 控制算法的设计 15

3.1 PID控制器 15

3.1.1 PID控制器的结构及原理 15

3.1.2 控制器参数对系统过渡过程的影响 15

3.1.3 控制器参数的整定 18

3.2 抗积分饱和PID的设计 20

3.3 模型预测控制 24

3.3.1 模型预测控制基本原理 24

3.3.2 预测控制的基本特点 26

第4章 仿真 27

4.1 单加热器的仿真 27

4.2 多加热器的仿真 30

第5章 结论 35

致谢 36

参考文献 37

附录 38

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

随着科技的发展，加热器无处不在，已被普遍应用到生活、医疗、工业等多个领域。能量的转换是加热器的原理核心，目前，最广泛的应用是电能转换成热能。电加热因为其污染性低、热效率高、安全易于控制等突出优点，在日常生活中得到了广泛的应用。电加热的加热方式主要有电阻加热、感应加热、介质加热等，其中最为广泛使用的是电阻加热。本文所研究的加热器采用的加热方式就是电阻加热。温度是对加热器进行研究的一个重要的被控参数，为了能够取得很好的控制效果，对加热器建立模型并对模型进行分析和研究是十分必要的。由于加热装置的加热机构和加热机理等原因，所建立的模型不同。对加热器进行建模是比较复杂的，但是模型的建立，可以很好的体现系统输入与输出之间的关系，以便控制器参数的整定和系统的调试。利用模型进行研究也可以推进工业优化、改善装置，提高安全生产效率。

火力发电需要消耗大量石油、煤等能源，且污染严重、能源日益短缺。风能、水能发电虽然环保、但是受地理位置的约束，且成本较高、供电不连续。核能具有能量密度高、清洁、经济等优点。因此核电厂消耗极少的核燃料，就能够产生很多电能。核电对于环境压力较大、发展迅速的我国具有重要的战略意义，我国目前正在大力发展核电事业。但是核电厂是极其复杂的，并且具有很大风险，如果核电站由于设备、操作失误等发生意外情况，造成危害是非常大的，将会危害操作人员和公众的安全，更有甚者带来毁灭性的灾难，比如日本的福岛、三里岛以及切尔诺贝利核电站事故。要想保证核电站安全、稳定、高效地运行，操作人员必须能够快速地判断操作以及改善和维护核电站的设计。