Matlab软件在热控专业教学中的应用

Matlab在传热学课程教学中的应用研究楚化强;高辉辉;顾明言;陈光;任飞【摘要】传热学是能源与动力工程专业主干专业基础课之一.为提高传热学教学质量,笔者在传热学课程教学过程中,引入Matlab编程,通过教材中的实例模拟,激发学生的学习兴趣,使学生能正确理解传热学基本规律和相关公式,培养了学生虚拟实践能力.【期刊名称】《安徽工业大学学报（社会科学版）》【年(卷),期】2017(034)001【总页数】3页(P73-75)【关键词】传热学;Matlab;传热规律;数值模拟【作者】楚化强;高辉辉;顾明言;陈光;任飞【作者单位】安徽工业大学能源与环境学院, 安徽马鞍山243002;安徽工业大学能源与环境学院, 安徽马鞍山243002;安徽工业大学能源与环境学院, 安徽马鞍山243002;安徽工业大学能源与环境学院, 安徽马鞍山243002;安徽工业大学能源与环境学院, 安徽马鞍山243002【正文语种】中文【中图分类】G642.0“卓越工程师教育培养计划”是教育部贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010～2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010～2020年)》的重大改革项目，也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措，[1]我校能源与动力工程专业从2014级学生开始正式实施“卓越工程师教育培养计划”。

传热学是能源与动力工程专业的四大主干专业基础课之一，它在专业课程中的地位极其重要，是后续课程的基础，也是考研课程中重要的一门专业课。

目前，我校传热学课程偏重于理论教学，理论课的比重远远高于实践课。

为加强我校“卓越班”学生的实践课程，提高学生的实践能力，笔者试图在传热学课程中加大数值模拟实践。

Matlab是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，可用于数据分析、数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。

[2]传热学是研究由温差引起的热能传递规律的科学，而传热规律往往采用偏微分方程表示，仅仅依靠课堂教学使学生正确理解基本规律和公式较为困难。

控制系统仿真课程大作业题目: 基于MATLAB的炉温控制系统的仿真院系名称：电气工程学院专业班级：自动F0904学生姓名：学号：指导教师：教师职称：讲师评语：成绩：任课教师：时间：在数字PID算法中，为了避免传统PID控制器算法中积分累积所造成的系统较大超调和不稳定，甚至是积分饱和，人们常常会使用积分分离PID算法加以改进。

本文又提出了变速积分PID算法，并以电锅炉温度控制系统为例，基于MATLAB 并运用仿真分析手段，对两种不同算法的控制效果进行了比较，得出了积分分离算法的上升时间tr较短，而变速积分算法的调节时间ts较短，最大超调量较小，振荡次数较少，在温度控制系统中变速积分优于积分分离的结论。

本文以加热炉控制系统为例提出了一种模糊控制方案, 介绍了模糊控制器的设计过程并很方便地利用SIMULINK 进行了仿真研究, 结果证明, 这种模糊控制系统具有良好的动态性能。

关键词：PID控制；积分分离；变速积分；MATLAB1 绪论 (4)2 系统描述 (4)2.1 系统过程 (4)2.2 系统的组成和基本工作原理 (5)2.3 对象模型的归纳 (6)3 PID控制及仿真 (6)3.1分分离PID控制算法 (7)3.2 变速积分PID控制算法 (7)4 基于两种控制算法的炉温控制系统仿真 (8)结论 (10)致谢 (10)参考文献 (11)1 绪论控制系统计算机仿真是应用现代科学手段对控制系统进行科学研究的十分重要的手段之一。

进入80年代以来, 几乎所有控制系统的高品质控制均离不开系统仿真研究。

通过仿真研究可以对照比较各种控制策略与方案, 优化并确定相关参数, 特别是对于新控制决策与算法的研究, 进行系统仿真更是必不可少的。

一般而言, 对控制系统进行计算机仿真首先应建立系统模型, 然后依据模型编制仿真程序, 充分利用计算机作为工具对其进行数值求解并将结果加以显示。

显然, 通常在仿真过程中, 十分耗费时间与精力的是编制和修改仿真程序。

MATLAB在各学科中的运用MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

[1]MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。

学习matlab后，研究电路及自动控制系统都非常直观方便。

下面就matlab在几个学科中的应用举例：应用一 Matlab在电路中的应用应用二Matlab在自动控制理论中的运用应用三基于Matlab的通信系统仿真应用四 Matlab在金融工程中的运用总结应用一 MATLAB在电路中的应用在大二上学期，我们电气工程及其自动化专业学习了电路这门课，下面引用matlab在电路里面的应用MATLAB在直流稳态电路中的分析及应用设计分析1.运用MATLAB解决数值线性代数问题及MATLAB的实现；MATLAB在“电路工作原理”中的应用；MATLAB工具箱的运用。

MATLAB在各学科中的运用MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

[1]MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。

学习matlab后，研究电路及自动控制系统都非常直观方便。

下面就matlab在几个学科中的应用举例：应用一 Matlab在电路中的应用应用二Matlab在自动控制理论中的运用应用三基于Matlab的通信系统仿真应用四 Matlab在金融工程中的运用总结应用一 MATLAB在电路中的应用在大二上学期，我们电气工程及其自动化专业学习了电路这门课，下面引用matlab在电路里面的应用MATLAB在直流稳态电路中的分析及应用设计分析1.运用MATLAB解决数值线性代数问题及MATLAB的实现；MATLAB在“电路工作原理”中的应用；MATLAB工具箱的运用。

基于MATLAB的换热器温度控制仿真研究基于MATLAB的换热器温度控制仿真研究摘要换热器作为一种标准工艺设备已经被广泛应用于动力工程领域和其他过程工业部门。

以工业上常用的列管式换热器为例，热流体和冷流体通过对流热传导达到换热的目的，从而使换热器物料出口温度满足工业生产的需求。

但是，由于换热系统这种被控对象具有纯滞后、大惯性、参数时变的非线性特点，传统的PID控制往往不能满足其静态、动态特性的要求。

控制方式的单一性及目前制造工艺的限制，使换热器普遍存在控制效果差，换热效率低的现象，造成能源的浪费。

如何提高换热器的控制效果，提高换热效率，对于缓解我国能源紧张的状况，具有长远的意义。

本课题是针对换热器实验设备温度控制的改进提出的。

设计中首先通过对现阶段换热器出口温度控制的特点进行分析，从而发现了制约控制效果进一步提高的瓶颈，为下一步改善换热器的控制效果提供了理论依据。

然后根据换热系统组成、控制流程的特点对换热器温度控制系统建立数学模型。

再根据所建立的数学模型，联系换热器温度控制的特点，给出了相应的控制策略，即带Smith预估补偿的模糊串级控制方案。

主回路采用Smith预估补偿的模糊控制算法，副回路采用模糊PID控制算法，并在理论上验证了其可行性。

最后用MATLAB7.0/SIMULINK工具箱进行换热器出口温度的控制仿真，并对仿真结果进行分析，说明所设计的控制算法及方案的优越性。

关键词：换热器温度控制；PID控制；模糊控制；仿真The heat exchanger based on MATLAB simulation of temperaturecontrolAbstractHeat exchanger as a standard process equipment has been widely used in the field of power engineering and other processindustries. Commonly used in industrial heat exchanger tube as an example, the hot fluid and cold fluid heat transfer through convection heat transfer to achieve the purpose, so that heat exchanger outlet temperature materials to meet the needs of industrial production. However, as the heat exchange system that has a pure time delay plant, large inertia, the parameters of the nonlinear time-varying characteristics of the traditional PID control often can not meet the static and dynamic characteristics of the request. Control the uniformity and the current manufacturing process of the limit, so that the effect of heat exchanger to control the prevalence of poor, low heat transfer efficiency, resulting in waste of energy. How to improve the control of the effect of heat exchangers to improve heat transfer efficiency and ease the tense situation in our country's energy, with a long-term significance.This issue is heat exchanger for temperature control of laboratory equipment to improve the proposed. first of all , The design stage through the heat exchanger outlet temperature control characteristics of the analysis, which found that the effect of restricting the control to further improve the bottleneck for further improving the control of the effect of heat exchanger provides a theoretical basis. Heat exchange system according to the composition of the characteristics of control flow on the heat exchanger temperature control system mathematical model. Established in accordance with the mathematical model of contact heat exchanger temperature control characteristics of the corresponding control strategy, which Smith estimated compensation with fuzzy cascade control program. Smith estimated the main loop compensation for the use of fuzzy control algorithm, the Vice-loop fuzzy PID control algorithm, andin theory, to verify its feasibility. Toolbox MATLAB7.0/SIMULINK Finally, heat exchanger outlet temperature of the control simulation, and analysis of simulation resultsto illustrate the design of control algorithms and the advantages of the program.Key words: heat exchanger temperature control; PID control; fuzzy control; simulation目录摘要 .......................................................................................................................... (I)Abstract .............................................................................................................. ........................ II 第一章绪论 .. (1)1.1 引言 (1)1.2 选题的背景及意义 (1)1.3换热器的温度控制概述 (2)1.3.1 换热器简介 (2)1.3.2换热器运行控制的现状 (4)1.4课题的主要任务及意义 (5)第二章换热系统的数学模型 (6)2.1 换热器过程控制系统分析 (6)2.2 信号的检测及参数关系 (7)2.2.1 流量信号的检测 (7)2.2.2 温度信号的检测 (8)2.2.3 执行机构的输入输出关系 (8)2.3 换热器特性分析 (9)2.3.1换热器的静态特性分析 (9)2.3.2换热器的动态特性 (13)2.4离心泵控制模型 (16)2.4.1 系统组成概述 (16)2.4.2离心泵的动态特性 (17)第三章换热器温度控制系统分析及方案设计 (19) 3.1 换热器温度控制系统分析 (19)3.2 控制模型的选择 (22)3.2.1 副回路控制模型的选择 (22)3.2.2主回路控制模型的选择 (23)第四章换热器控制系统控制算法 (24)4.1 模糊控制理论 (24)4.1.1 模糊控制概述 (24)4.1.2 模糊控制的原理 (25)4.2基本模糊控制器的设计 (26)4.2.1 模糊化过程 (27)4.2.2 模糊化方法 (28)4.2.3 建立模糊控制器的控制规则 (30)4.2.4 模糊推理与模糊判决 (31)4.3 模糊PID控制算法实现 (32)4.3.1 PID控制原理及模糊PID控制原理图 (32) 4.3.2模糊参数自整定原则 (34)4.3.3 各变量隶属度函数的确定 (34)4.3.4建立模糊规则表 (35)4.3.5 模糊PID控制器的MATLAB实现 (37)4.4 Smith—Fuzzy串级控制算法的实现 (41)4.4.1 Smith预估补偿的原理 (41)4.4.2 Smith预估补偿的实现 (43)4.4.3换热器出口温度Smith—Fuzzy控制实现 (43) 第五章换热器温度控制系统仿真及结果分析 (46)5.1仿真软件简介 (46)5.2基于换热器出口水温控制系统的仿真 (48)5.3换热器温度控制系统仿真分析 (52)第六章结束语 (54)参考文献 (55)致谢 (57)第一章绪论1.1 引言换热器是一种用来进行热量交换的工艺设备，在工业生产中应用极为广泛。

matlab软件在热控专业教学中的应用
MATLAB是除尔夫数学语言(MATrix LABoratory)的缩写，是指用于科学计算、数据可视化和系统仿真的编程环境。

在热控专业的教学中，MATLAB的应用也得到了广泛的应用。

首先，MATLAB在热控专业的教学中可以用来分析和计算热量学的相关数据。

比如可以利用MATLAB对热量的流动、传递、分布和转换进行分析和数学计算，从而计算出热控器件所需要的各种数据，准确地确定和设计热控系统。

此外，MATLAB也可以为学生们提供更加直观的热控系统的可视化模拟。

MATLAB可以快速利用的可视化图像，为学生们构建出更真实的环境，使学生们能够更清楚地了解到热控系统的工作原理以及实际应用中所面临的问题。

与此同时，MATLAB也可以用于热控专业课程实验中。

MATLAB可以为学生提供实验结果的自动处理、可视化统计等功能，使老师在教学实验方面更加有效和更可靠，能够轻松准确地教学。

综上所述，MATLAB对热控专业的教学有着巨大的作用。

MATLAB 拥有完善的数据分析和处理水平，为学生提供快速的可视化效果、更可靠的实验室结果，能够极大地提升热控专业课程的教学质量。

MATLAB软件在计算机控制系统教学中的应用计算机控制系统是电气自动化技术、计算机控制技术等专业的一门重要专业核心课程。

它涉及电路、电子技术、自动控制原理及数学等多门学科,概念多、理论性强、与工程实践联系密切。

近年来,随着计算机技术和仿真软件的不断发展和完善,仿真软件逐渐渗透到计算机控制系统课程的教学中。

本文介绍了MATLAB在计算机控制系统教学中的主要应用,例如模拟控制器的离散化参数计算、响应曲线的描绘和控制系统仿真,并用实例说明MATLAB软件在计算机控制系统教学中的重要作用。

一、数字PID控制器的设计PID控制器是一种线性控制器,它将给定值与实际输出值的偏差e(t)的比例、积分和微分进行线性组合,形成控制量u(t)输出,如图1所示。

图1 PID控制框图连续系统中PID控制器的传递函数为。

对PID控制器中三个环节的作用总结如下[1]:(1)比例P环节:成比例地反映偏差,偏差一旦出现立即产生控制作用,从而减小偏差;但P环节不能消除静差,且Kp过大会引起系统不稳定。

(2)积分I环节:主要用于消除静差,提高系统的无差度;但积分作用太强会使系统超调变大,甚至出现振荡。

(3)微分D环节:反映偏差信号的变化趋势,并能在偏差变得过大之前引入有效地早期修正信号,从而加快系统的响应速度,减小超调和调节时间,克服振荡,改善系统的动态性能;但Td过大也会使系统不稳定。

可见,Kp、Ti、Td对系统的闭环响应有很大的影响,只有选择合适的Kp、Ti、Td,才能获得理想的系统响应。

若已知某伺服系统的对象传递函数,采样周期T=0.1s,为了研究由P、PID数字控制器组成闭环系统的单位阶跃响应,首先应求被控对象的广义脉冲传递函数再根据离散控制理论,可以求出系统的闭环脉冲传递函数为:则系统的单位阶跃响应为:若控制器采用比例控制,即,将其带入可求出闭环脉冲传递函数为[2] 进而求出系统的闭环响应为若控制器采用PID控制,即,求解过程更加复杂。

解决。

二、对于提高化学教学效果的建议1.直观讲学。

有机反应类型是有机化学的核心，要学好有机化学，必须掌握大量的有机反应和必要的反应机理。

有机反应类型主要包括取代反应、加成反应、等八种反应类型。

掌握有机化学的反应类型，将有助于我们深刻认识有机物和有机化学反应。

讲解有机物的取代反应与加成反应时，不仅仅需要语言讲解，还需要借助实物直观讲解。

很多化学现象是一个变化的过程，运用多媒体将微观粒子的结构改变过程展示出来，学生拥有了直观的感受，会更容易理解，对于化学知识会产生浓厚的兴趣。

2.化学讲学要与时俱进。

要充分利用现代化技术为教学服务。

随着科技的进步和发展，各种现代化的教学设备日益完善，可以充分利用这些现代化设备知趣制取课件，利用网络平台建立习题库、实验录像、课件库等，从而增加科学的教学手段，使化学课堂教学生动形象，吸引学生进入生动的化学世界。

3.课堂形式的多样性。

课堂教学单一会让学生感觉枯燥，是去学习兴趣。

教师可采取多样教学形式，如启发式、提问式、实验验证式等，改变传统的单一的教学模式，使学生感到学而不厌。

无论采用什么方式教学都应根据教学实际，使形式为目的服务，和教学内容密切联系。

在民主课堂氛围中开展探究性学习和交流，让课堂活起来，让学生动起来，激发学生的学习兴趣，提高化学课堂效率。

4.学习内容的丰富。

在学校的化学学习，学生们只是学到了一些理念却没有在生活中实际运用过，教师们要将化学知识放入实际生活中，开拓学生的视野，发挥学生的主动性，提高如何在实际中运用化学知识的能力。

5.作业布置与检查的多样性。

教师们的作业布置不能仅限于书面练习，还需要实际的操作，如化学论文的比赛、化学实验的比赛等，让学生们感受到不同的轻松愉悦的学习气氛。

对于作业的检查可以采取在课前或课后10分钟内测试、分组检查等，让学生们互相批改作业，互相检查，交流学习经验，取长补短。

6.化学实验的重要性。

实验是化学这门课程的重要内容，在新理念的化学改革下，教师要优化实验设计方案，使实验既符合理论逻辑又具可操作性，让学生在动手实验中积累知识，加深对化学概念的理解。

MATLAB在“自动控制原理”实验教学中的应用探析自动控制原理是十分重要的课程之一，其实验教学开展的教学效果将直接影响到自动控制原理课程的教学效果与教学目标的实验。

传统自动控制原理实验箱无法拓展，受环境限制影响较大，难以指导学生深入了解参数变化与系统性能之间的关系等缺陷提出了在自动控制原理实验教学中运用MATLAB，以弥补传统实验箱开展实验教学的缺陷，同时激发学生参与自动控制原理实验的兴趣，全面提高学生综合实践能力与独立探索思維。

标签：MATLAB；自动控制原理；实验教学自动控制原理课程是电气工程及其自动化控制专业的重要基础课程，直接影响到学生是否能够真正掌握电气工程自动化控制的核心。

在自动控制原理课程中实验教学是十分关键的，其能够将自动控制原理课程中晦涩、抽象的理论用于指导实践，让学生在形象、直观的实验过程中学会理论联系实际，从而获得更强的实践能力。

MATLAB是一种常用的软件，在自动控制原理实验教学中运用MATLAB可以进一步提升自动控制原理实验教学的实效性。

1 “自动控制原理”实验教学教育不仅仅是概念性的，同时也是经验性的、操作性的。

学生在学习过程中往往都需要通过直接的操作经验、具体事例以及实际应用才能够提升学习质量。

自动控制原理是一门电气工程与自动化专业中的基层课程，在电气及其自动化专业中占据着十分重要的地位。

自动控制原理课程的主要教学内容涵盖了控制系统的数学模型、非线性系统分析、频率法等。

自动控制原理课程概念抽象、计算复杂、涉及数学计算难度大，学生在学习过程中总是难以完全理解[1]。

在自动控制原理课程教学中实验教学是不可或缺的重要教学环节，是自动控制原理理论与实践的桥梁。

在自动控制原理教学中重视实验教学不仅仅可以使得学生对自动控制原理中的理论有更加深入的理解与把握，同时还可以将理论与实践紧密的联系起来，有效提升自动控制原理课程的教学质量，同时使得学生对自动控制原理课程更有兴趣。

传统的自动控制原理实验教学所采用的都是电子模拟实验箱装置。

谈matlab在物理教学中的应用摘要随着科学技术的发展，计算机技术在物理教学中的应用越来越广泛。

MATLAB是一个易于使用的编程语言，可以帮助教师进行实验和模拟各种物理系统或过程。

它具有高效、可靠、易用以及大量的函数库和工具箱，可以大大减少开发时间。

本文主要介绍Matlab在物理教学中的应用，从Matlab的特性出发，介绍Matlab 的优点，以及它在物理教学中的应用。

关键词：MATLAB；物理教学；应用1．引言随着科学技术的发展，计算机技术已经成为科技教育的重要组成部分。

计算机技术的引入大大推动了教学模式的改变，并且可以有效地支持物理教学。

MATLAB 是一种易于使用的编程语言，具有高效、可靠、易用以及大量函数库和工具箱，可以帮助教师进行实验和模拟各种物理系统或过程，以有效地支持物理教学。

Matlab在力学方面有着广泛的应用。

力学是物理学中的基础学科，涉及物体运动和力学原理。

Matlab可以用来模拟物体的运动轨迹，计算物体的动能和动量等。

例如，可以用Matlab模拟小球在重力场中的运动轨迹，并计算小球的动能和动量变化。

这对于学生理解物体运动和力学原理非常有帮助。

Matlab在电学方面也有着广泛的应用。

电学是物理学中的重要学科，涉及电路、电动势和电磁学等。

Matlab可以用来计算电路的电流、电动势等，并可以画出电路图。

例如，可以用Matlab模拟简单的电路，并计算电路中各元器件的电流和电动势。

这对于学生理解电学原理非常有帮助。

Matlab在热学方面也有着广泛的应用。

热学是物理学的重要学科，涉及热力学、热传导、热扩散等。

Matlab可以用来模拟热学中的各种现象，并可以画出热学中的温度分布图。

例如，可以用Matlab模拟物体热传导的过程，并画出物体的温度分布图，这对于学生理解热学原理非常有帮助。

2．Matlab的特性MATLAB是一种用于科学计算和开发应用程序的高级编程语言，具有多种优势和特性。

其中最重要的特性是，它可以使用类似于C语言的语法，支持多种编程风格，可以轻松地实现各种复杂的算法；另外，它还提供了大量的内置函数库，可以快速实现各种复杂的数学计算；此外，它还具有面向对象的编程特性，可以有效地管理和处理大量的数据；此外，它还提供了各种数据可视化工具，可以有效地分析和可视化数据。