1、电厂热工控制计算机仿真目 录摘 要 IIIABSTRACT IV第一章 绪 论 1第一节 计算机辅助教育的发展 1第二节 控制系统计算机辅助设计的发展 3第三节 课题研究背景及论文主要内容 4第二章 开发环境简介 6第一节 MATLAB简介 62.1.1 MATLAB概述 6第二节 MATLAB 的绘图功能 72.2.1 基本绘图函数 72.2.2 绘制二维图形的一般步骤 72.2.3 plot函数的调用格式 82.2.4 色彩、线型和数据点标志 9第三节 图形用户界面（GUI） 102.3.1 什么是图形用户界面（GUI） 102.3.2 MATLAB的图形用户界面向导 112.3.3 GU
2、I界面介绍与应用 11第四节 SIMULINK 132.4.1 SIMULINK简介及功能 132.4.2 在MATLAB命令窗口中输入simulink 14第五节 SIMULINK与GUI的关联 14第三章 P I D 173.1 PID控制简介 173.2 PID控制器的参数整定 19第四章 电厂典型自动调节系统计算机仿真 21第一节 自动调节系统简介 214.1.1 自动调节系统简介 214.1.2 实现自动控制作用所需的自动控制装置主要有： 21第二节 三冲水量给水自动调节系统 234.2.1 锅炉给水调节系统模型 234.2.2 三冲量给水仿真系统 23第三节 汽包锅炉燃烧自动调节系
3、统 274.3.1 燃烧过程控制主要构成 274.3.2 蒸汽压力控制和燃料空气壁纸控制系统 274.3.3 炉膛负压控制系统控制系统框图如下图所示： 284.2.4 燃烧仿真系统 29第四节 导前气温调节系统 324.4.1 采用导前气温微分信号的双回路调节系统 324.4.2 导前气温调节系统模块 34第五节 串级气温调节系统 374.5.1 过热气温串级调节系统 374.5.2 主气温串级调节系统模块 38第六节 两种气温调节系统的比较 40第五章 总结与展望 42致 谢 43参考文献 44摘 要 自动控制学科诞生于二十世纪四十年代，发展至今，已经成为一门理论体系严谨，用到很多很深的数学
4、工具的学科。但是，长期以来，自动控制理论的教学一直采用传统的教学方式，传统教学方式的种种弊端造成了自动控制理论课堂教学效率偏低，不利于激发学生的学习兴趣。随着计算机技术的广泛应用，计算机辅助教育（CAI）迅速发展起来。为了适用科学发展的需要，本文以能源系本科必修课电厂热工过程自动调节中的重点、难点，以MATLAB为开发工具，开发了一套热工自动调节原理教学演示及仿真软件系统。本软件系统包括PID、和电厂常用的调节系统分析两个模块。本软件系统在教学实践中应用不仅对培养学生的创造性思维能力、提高教学质量有着积极的促进作用，而且对深化教学改革、加速教学手段的现在化也产生积极的推动作用。此外，电厂用的调
5、节系统分析模块将电厂负荷控制系统的参数优化整定和系统仿真融为一体，为设计人员进行离线的多方案比较提供了有效工具，可以作为控制系统计算机辅助设计（CADCS）工具单独使用，对于提高电厂负荷控制系统的投运效率，缩短控制系统的投运时间将起到积极的作用。关键词：CAI,CADCS,MAATLAB,SIMULINK,仿真，自动控制，电厂热工自动控制Computer simulation of power plant thermal controlABSTRACTThe subject of auto control started in the forties of the twentieth cent
6、ury. UP to the Present, it has become a rigorous theory that involved many abstruse mathematical calculations. But the teaching of the auto control subject still follows the traditional ways since long time ago. And the disadvantages of the traditional teaching ways lead the auto control teaching ef
7、ficiency to the low side. It makes against to inspire the students interests in the course of learning. A1ong with the development of the computer technology, the computer aided instruction (CAI) developed rapidly. Suiting for the needs of the development of the subject ,we refer to the keystones an
8、d the difficulties of the compulsory undergraduate course in Energy department of Zhe jiang University, finish a suit of software for the thermal auto control teaching demonstration and simulation programming with Matlab. The software kit includes the dynamic analysis of the two steps system , the i
9、nfluences of the PID parameters in the dynamic progress of the system, and the typical auto control systems in the power plant. The applying of the software kit in the teaching ways will train the students creative thinking, and improve the quality of the teaching efficiency in the courses. Also, it
10、 will act the active effete to deepen the innovation of the teaching ways and speedup the modernization of the teaching ways. Furthermore, the module of the typical auto control systems in the power plant can be used to correcting and optimizing the parameters of the load control systems in the powe
11、r plant, and the simulation of systems. It offers a effective kit to the designers of the power plant to compare the parameters influences offline. It can be used for a kit of Computer Aided Design in Control System individually. And the applying of it will improve the running efficiency of auto con
12、trol systems in the power plant.Key Word: CAI, CADCS, MATLAB, SIMULINK, AUTOCONTROL，Automatic control of thermal power plant.第一章 绪 论第一节 计算机辅助教育的发展从20世纪70年代中期起，计算机真正开始对教育直接发生巨大影响，计算机技术开始与教育相结合：计算机辅助教学(CAI)、计算机辅助学习(CAL)、计算机管理教学(CMI)、计算机辅助教育管理(CAEM)、教育信息处理、教育信息数据库、计算机教育、教学咨询等计算机在教育中的各种应用蓬勃发展。在计算机的这些应用之
13、中，又以计算机辅助教学在教育中的涉及面最广，影响也最大，而且发展也最为成熟。它的兴起和发展，已经给传统的教育思想、教育理论、教育方法、教育技术和教师的职能与素质带来了新的变革与发展。计算机辅助教学简称CAI，是英文Computer Assisted Instruction的缩写。它的研究与应用始于1958年，并得到迅速的发展且对教学改革产生了深刻的影响，而它自身也已发展成为有着广阔应用前景的新兴学科。是利用计算机作为主要的教学媒体来进行教学活动。也就是指教师将电脑作为教学媒体，为学生提供一个学习的环境，学生通过与计算机的交互对话进行学习的一种教学形式，即我们平时所说的多媒体辅助教学。 CAI的
14、兴起有着它的社会基础、物质基础和理论基础。如何把握CAI的本质及其发展的脉络，这就要求我们通过CAI中应用的学习（或教学）理论和计算机技术以及社会的需求，去观察和分析CAI的发展。根据CAI 软件所运用的学习理论和使用的计算机技术，可以把CAI的发展分为三个阶段。 第一阶段是从20世纪50年代到70年代这二十多年时间，在学习理论的应用上，多数CAI 软件采用行为主义学习理论。1979年，加涅和布里格思根据行为主义学习理论提出了对CAI设计有重要指导作用的教学设计原则，这就是：接近（Contiguity)原则，即反应必须在刺激立即出现；重复(Repetition)原则，重复练习能加强学习和促进记
15、忆；反馈与强化(Feedback and reinforcement)原则，与反应正确性有关的信息可以促进学习；提示及其衰减(Prompting and fading)原则，在逐步减少提示的情况下，朝着期望的反应引导学生，从而完成学习。在这些理论原则的指导下，这一时期开发的大量的CAI课件多数是操练和个别指导型的，强调通过学习，使学生掌握一定的知识。在这一阶段，计算机技术的使用，突出表现在人-机交互方式上，主要是通过文字和简单的图形，因此，大多数CAI软件缺乏对学习者的吸引力。第二阶段是20世纪80年代的十年。在这期间无论是CAI的发展规模，还是应用水平都有显著地提高。认知理论成为指导CAI发
16、展的重要的理论基础。认知学习理论认为世界是由客观实体、其特征以及客观事物之间的关系所构成，在学习上他们强调学习者内部的认知过程。认为教学的目标在于帮助学习者习得事物及其特性，使外界客观事物(知识及其结构)内化为其内部的认知结构。根据认知学习理论，学习的各个内部过程分别是接受、期待、提取信息到短时记忆、选择性知觉、语义编码、反应、强化、激发信息的保持、形成概念。1981年加涅、维格和罗杰斯等人指出，学习的内部过程与学习周期的几个阶段是一致的，若能将CAI提供的学习活动（人-机交互过程）与学习的内部过程相一致，会明显地增加CAI的有效性。为此，人们建立了与学习内部过程相一致的相应的CAI 活动序列
17、。据此人们在设计和开发CAI软件时，经常会在CAI 课件的开始，利用能体现课件内容且具有强烈感染力的图形序列（或图象），以唤起学生的注意。并在学习开始时，告诉学生目标，从而激起学生对学习的期望。接下来会通过测试，刺激学生回忆以前的学习，以便把已有的与将要学习的新的知识结合起来。然后，向学生呈现刺激材料，即呈现教学信息并不断地提供学习指导，以促进语义编码的内部过程。为了检验学生对新知识的理解程度，经常提供足够多的练习，要求学生“做一下”，以表明他们已经理解“怎么做”，让学生“参与”学习，并形成新的刺激，诱发学生的行为。在学生作出反应、表现出行为之后，及时地让学生知道其反应的正确性及正确程度，即向
18、学生提供反馈信息。为了促进进一步的回忆并巩固学习结果，不少CAI软件都具有测试功能，以评定学生的行为，使成功的意义建构加以强化。许多优秀的CAI软件，还利用多媒体技术和多种手段，提供有利于学习迁移的实例和情境，让学生去求解、去探索，这不仅有利于学习的迁移，对于发展学生的认知策略也是不可缺少的。在这一时期，计算机技术得到了迅速发展，特别是多媒体技术的出现和应用，使CAI产生了巨大变化。在人-机交互方式上更加多样化，通过图、文、声、视频图象等多种形式表达教学信息；在信息组织方式上采用了超文本技术，形成超媒体系统，能较好地适应学习者的联想性思维。 第三阶段进入90年代后，CAI的发展产生了新的飞跃，
19、进入到了一个新的发展阶段，主要表现在建构主义(Constructivism)学习理论的应用和计算机网络的使用。建构主义学习理论突出了学习者的主体作用，它认为学习者是信息加工的主体，是意义的主动建构者，而不是外部刺激的被动接受者和被灌输的对象。教师是意义建构的促进者和帮助者；而不是知识的传授者和灌输者。建构主义者根据他们对学习的理解，提出了多种教学方法，例如：随机通达教学(Random Access Instruction)；抛锚式教学(Anchored Instruction)；支架式教学(Scaffolding Instruction)等。从而为CAI提供了理论依据，并是计算机辅助教学得到了
20、广泛应用。多媒体和计算机网络，特别是Internet网络的普及，为开发能够体现建构主义理论的学习环境提供了良好的条件。目前，在我国，许多教师节开始使用计算机进行辅助教学是采用演示模式，即在班级教学中，教师讲解的同时，在课堂上用计算机演示一些微观现象或动态图形，或者把抽象的东西形象化、具体化，收到了良好的效果。计算机辅助教学作为新的教育技术，在教育和教学中正发挥着越来越重要的作用。第二节 控制系统计算机辅助设计的发展 控制系统计算机辅助设计,国际上常用的缩写为CADCS，控制系统计算机辅助设计技术的发展，是在最近二十年左右的时间里，伴随着当代一些新技术的发展，特别是控制技术，计算机技术、信息技术
21、、人工智能以及系统工程的发展而逐步发展起来。 在谈到CADCS的发展是，首先应提到数字仿真技术的发展。早期的CADCS软件包正是以数字仿真为基础而构成的。随着计算机存储容量的增大，运算速度的提高，仿真语言的出现，以及快速打印机、XY绘图仪等硬件设备的发展，技术人与那不仅可以利用计算机对控制系统进行仿真，而且还逐渐发展除了可用于控制系统设计的软件包。在CADCS的发展初期，大多采用现在控制理论的时域法进行系统的分析与设计，后来由于图像显示的发展及现在频域法的发展，采用频域法的CADCS软件包也逐渐大量出现，特别是对一些线性定常数的单变量控制系统，采用频域法，和具有较强的人、机信息交互更能的软件包
22、，更是受到一般控制系统设计人员的欢迎。随着CADCS技术的发展，目前控制理论中一些具有实际应用的精髓部分，基本上都可以从目前已有的CADCS软件包中体现出来。近年来，CADCS技术以不仅应用于控制器的综合与设计，而且已逐步扩展用于系统分析、仿真、辨识、建模，以及实时控制等各个方面。所处理的系统，也从工程技术领域逐渐转向各种非工程领域。近年来在CADCS字系统中，随着人工智能技术的发展，专家系统在CADCS系统中应用日益增多，这对于改善计算机在整个CADCS系统中的作用，改善整个机辅设计，均有十分重要的意义。70年在末。我国学者积极开展了CADCS的工作，并在1979年5月厦门的中国自动化系学会
23、控制理论专家委员会学术会议上，做了一次学术交流。1980年10月控制理论专业委员会在桂林阳朔的学术会议上提出了、的有组治进行此项工作的建议，得到了科学院院士、自动化学科组长杨家溪教授的高度重视。1982年9月，他在长春的技术部委扩大会议上，积极倡导组织力量研究中国特色的CADCS软件，同年底得到中国科学院自然科学基金的资助。1984年初，在中国科学院系统研究所多次讨论了CSCAD的设计工作，经杨教授提议，在CSCAD前面在加上一个字母C，这就是1984年到1986年完成的CCSCAD.第三节 课题研究背景及论文主要内容自动控制学科诞生于二十世纪四十年代,发展至今,自动控制理论己经成为一门理论体
24、系严密,用到很多很深的数学工具的学科。但自动控制理论的教学却一直采用传统教学方式,在短短的课堂教学时间内,教师单凭板书、口授,很难将自动控制理论中的一些抽象概念、复杂概念讲清楚。尤其是对于诸如低阶、高阶系统的动态性能,根轨迹的介绍,阶跃响应等,用概念、公式很难给学生一个清晰、直观的认识。但如果由教师在课堂上画图演示的话,势必耽误大量宝贵的课堂教学时间,造成课堂教学效率偏低。而且,教学效果将受到教师绘图水平等多方面因素制约,不利于教学质量的提高。自动控制系统的设计,在建立受控模型以后,需要对所建立的模型进行仿真研究,以验证模型的正确性。这里主要是对受控对象即开环系统进行仿真。当控制系统被设计完成
25、以后,同样需要对所设计的系统进行仿真研究,以校核系统的性能是否满足要求。这里是对整个闭环系统进行仿真研究。热工自动控制就是在热力发电厂的生产过程中采用自动控制技术,通过控制设备,使被控对象或生产过程,自动地按照预定的规律运行。在大型火力发电厂,为了使发电机组能尽快适应电网负荷变化的要求,必须设计负荷控制系统。它的基本任务是:当电网负荷要求改变时,负荷系统能及时地对锅炉和汽轮机的控制系统分别发出改变负荷的指令,使锅炉和汽轮机协调地改变各自的输入量,从而使机组的输出功率尽快地适应电网负荷变化的需要,同时又使汽机前的汽压在允许范围内改变。单元机组负荷控制系统是具有反馈、前馈和交又环节的多变量系统,系
26、统中调节器参数的整定至今仍靠现场的反复试凑。针对上述存在的问题,我们开发了一套用于热工控制系统教学演示和仿真的软件。该软件主要包括对电厂常用的几种典型调节系统的仿真分析(三冲量水位调节系统、锅炉电站主气温串级调节系统、主气温导前调节方式以及燃烧自动调节系统)。一方面可以用来在课堂上演示,学生通过观看演示认识了在己知对象传递函数时,对象随扰动量变化时的特性曲线。同时可以了解过热蒸汽对象的有滞后、有惯性、有自平衡能力的特性。以及锅炉给水对象具有无自平衡能力,特别在蒸汽量扰动时有虚假水位现象存在等特点。这样就加深了学生对书本知识的理解,并对现场测定对象特性的方法有了深入的了解。另一方面,采用此部分的
27、软件包能将负荷控制系统的参数优化整定和系统仿真融为一体,为设计人员进行离线的多方案比较提供了有效工具:同时能避免现场的反复试凑,提高负荷控制系统的投运效率,缩短控制系统的投运时间,由此带来的经济效益将是十分可观的。第二章 开发环境简介第一节 MATLAB简介2.1.1 MATLAB概述1984年正式推出的MATLAB语言为数学问题的计算机计算求解特别是控制系统的仿真和CAD发展起到了巨大的推动作用.1980年前后,时任美国New Mexico大学计算机科学系主任的Cleve Moler教授认为用当时最先进的EISPCK和 LINPACK软件包求解线性代数问题过程过于繁琐，所以构想一个名为MAT
28、LAB（MATrix LABortory,及矩阵实验室）的交互式计算机语言。该语言1980年出现了免费版本，1984年The Mathwork公司成立，并推出了1.0版。该语言的出现正赶上控制界基于状态空间理论蓬勃发展的阶段，所以很快就空直接学者的关注，出现了用MATLAB语言编写的控制系统工具箱，在控制界产生了巨大的影响，成为控制界的标准计算机语言。后来由于控制界及相关领域提出的各种各样要求，MATLAB语言得到了持续发展，使得其功能越来越强大。可以说，MATLAB语言由计算机数学专家首创的，但是有控制界专家“捧红”的新型计算机语言。目前大部分工具箱都是面向控制和相关学科的，但随着MATLA
29、B语言的不断完善，目前也在其他领域开始使用。稍后出现的Mathmatica及Maple等语言当前页是应用广泛的计算机数学语言。此外，法国国家计算机科学与控制研究院INRIA开发的自由软件Scilab也可以部分解决常用的数学问题，其最显著的特色是完全免费且源代码全部公开，但在求解数学问题的功能上尚无法和MATLAB等计算机语言媲美。现在，随着技术的发展，MATLAB个功能越来越强大，它主要包括主包，Simulick以及功能各异的各种工具箱组成，以矩阵运算为基础,吧计算 可视化 程序设计融合到了一个简单易用的交互式工作环境中.在这里可以实现工程计算、算法研究、符号运算、建模和仿真、原型开发、数据分
30、析及可视化、科学和工程绘图、应用程序设计等等功能。第二节 MATLAB 的绘图功能2.2.1 基本绘图函数MATLAB提供多个函数用于绘制图形，以向量或矩阵作为输入参数，绘制它们的图像。下面的列出了基本绘图函数。如表2-2-1表2-2-1 基本绘图函数表函数功能plot绘制二维线性图形及两个坐标轴Plot3绘制三维线性图形及三个坐标轴Loglog绘制对数图形及两个坐标轴（两个坐标轴都是对数坐标Semilogx绘制半对数坐标轴（X为对数坐标，Y为线性坐标）semilogy绘制半对数坐标轴（Y为对数坐标，X为线性坐标）plotyy绘制y双轴图形2.2.2 绘制二维图形的一般步骤为了让读者对绘制图形
31、的过程有一个宏观的了解，在这里先介绍绘制二维图形的一般步骤，具体细节将在后面的章节中进行展开。 绘制二维图形的一般步骤如下： （）数据的准备：选定所要表现的范围 产生自变量采样向量 计算相应的函数值向量 典型指令：x=0:pi/100:2*pi; （）选定图形窗及其子图的位置： 缺省时，打开 Figure No1，或当前窗，当前子图 可用指令指定图形窗号和子图号 典型指令：figure（） 指定1号图形窗 subplot（2，2，2） 指定 2号子团 （）调用（高层）绘图指令：线型、色彩、数据点形 典型指令：plot（x，y，-ro） 用红色实线画曲线，其数据点类型为o （）设置轴的范围与刻度
32、、坐标分格线 典型指令：axis（0， inf，1，1） 设置坐标轴的范围 grid on 画坐标分格线 （）图形注释，包括：图名、坐标名、图例、文字说明等 典型指令：title（专家系统） 图名 xlabel（）； ylabel（y） 轴名 legend（sinx，cosx） 图例 text（2，y=sinx） 文字说明 （）打印：图形窗上的直接打印选项或按键 利用图形后处理软件打印 采用图形窗选项或按键打印最简捷。 步骤1，3是最基本的绘图步骤。至于其他步骤，并不完全必须。2.2.3 plot函数的调用格式 在二维曲线的绘图命令中，函数plot是最基本，最重要的二维图形命令，其它许多绘图命令都是在它的基础上形成的。 下面介绍plot的使用方法： 调用格式1 plot(x,y) 功能 绘制二元
