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1、 本科实验报告本科实验报告 课程名称： 过程控制工程 姓 名： 唐子涵 院 系： 控制系 专 业： 控制 0904 学 号： 3090104383 指导教师： 戴连奎 2012 年 4 月 16 日 实验名称：多回路控制仿真练习 姓名：唐子涵 学号：3090104383 1 目录目录 一、实验目的和要求 . 2 二、主要仪器设备 . 2 三、实验内容和模型建立与实现 . 2 A. 实验背景描述 . 2 B. 仿真模型建立 . 4 C. 仿真任务 1：使用串级控制的多回路控制策略 . 6 D. 仿真任务 2：使用前馈控制的多回路控制策略 . 12 E. 总结 . 18 实验名称：多回路控制仿真练
2、习 姓名：唐子涵 学号：3090104383 2 实验报告实验报告 课程名称： 过程控制工程 指导老师：戴连奎 成绩：_ 实验名称： 多回路控制仿真练习 实验类型： 同组学生： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求一、实验目的和要求 1. 学习搭建 SimuLink 仿真模型的过程和方法； 2. 学习多回路控制策略的设计和实现方法； 3. 学习在 SimuLink 仿真环境下对多回路控制系统进行 PID 参数整定； 4. 在闭环的条件下，学
3、习对系统的动态特性进行评估的方法； 二、主要仪器设备二、主要仪器设备 PC 机、Matlab 软件。 三三、实验内容和、实验内容和模型建立模型建立与实现与实现 A. 实验背景描述实验背景描述 针对某一单程逆流列管式换热器， 对应的工艺介质出口温度单回路控制系统如图 3-1 所示。它采用饱和蒸汽冷凝所释放的热量对工艺介质进行加热，使工艺介质的出口温度2T稳定在某个定值。 图 3-1 中，FR为工艺介质流量，1T为工艺介质的进口温度，它们都由上游流程决定，是影响工艺介质出口温度2T的主要干扰；VR为加热蒸汽流量，作为工艺介质出口温度2T的专业：自动化（控制） 姓名：唐子涵 学号：309010438
4、3 日期：2012.4.16 地点：玉泉五舍 515 实验名称：多回路控制仿真练习 姓名：唐子涵 学号：3090104383 3 控制手段，VP为蒸汽入口压力；u为蒸汽控制阀的相对输入信号（以 DDZ III 型为例，当输入电流为 4 mA 时，对应相对输入信号为 0 %；当输入电流为 20 mA 时，对应相对输入信号为 100 %） 。图中1mT、2mT、FmR、VmR分别为1T、2T、FR、VR的测量值。 T2RVRFT1m蒸汽工艺介质凝液T1RFmTT 12FT 31T2mTT 11FT 32RVmuPV TC 11T2sp图 1 换热器温度控制问题 该模型应包含对象下列非线性静态关系和
5、动态特性： 假设换热器满足如下的稳态热平衡方程： (2 1) = (1) 其中代表工艺介质的比热， 为饱和蒸汽的汽化热， 表示换热器的传热效率， 并有： = = 450 (2) 此外，1、分别为1、的稳态值。 现在假设1、与1、之间的动态关系分别为： 1() =1() 1()=1 42+ 5 + 13 (3) 2() =() ()=1 4 + 13 (4) 3() =() ()=1 5 + 15 (5) 假设该换热器的静态工作点为020VR kg/min，0150FR kg/min，0 130T 。 假设在静态工作点处有阀门的相对输入信号%800u，%800Vf，0100VP kPa。这里，V
6、f为蒸汽阀的相对流通面积。又假设控制阀为线性阀，其动态特性可表示为 11 )()()(sTsusfsGVV v(6) 实验名称：多回路控制仿真练习 姓名：唐子涵 学号：3090104383 4 这里假设 TV = 0.5 min。 对于饱和蒸汽流量对象，假设与控制阀开度、阀前压力的静态特性满足下面方程关系： = 0.025 (7) 各传感变送器的测量范围分别为：TT 11 的测量范围为 0 200；TT 12 的测量范围为0 60； FT 31 的测量范围为 0 300 kg/min； FT 32 的测量范围为 0 50 kg/min。1T、2T、FR、VR的测量值1mT、2mT、FmR、Vm
7、R均用%来表示，即1mT、2mT、FmR、VmR的最小值为 0，最大值为 100。 假设流量测量仪表的动态滞后忽略不计； 而温度测量环节可用一阶环节来近似， 并且两个温度测量环节的一阶时间常数均为 0.6 min。 B. 仿真模型建立仿真模型建立 将式(2)、(3)、(4)、(5)代入式(1)，则可得到如下结果： 2()()2() 1()1() = 3()() (8) 当输入为1、；而对象输出为2时，有： 2() = 1()1() + 3()() 2()() (9) 依据式(9)，可在 SimuLink 下构建如图 2 所示的换热器(HeatExchanger)子系统模型。 图 2 换热器 H
8、eatExchanger 子系统模型 由式(6)、(7)，可以得到如下关系： () = 0.025()()() (10) 温度测量环节可以表示为： () =() ()=1 1 + (11) 实验名称：多回路控制仿真练习 姓名：唐子涵 学号：3090104383 5 其中时间常数 T=0.6min。 由此可以搭建相对应的广义对象(GeneralizedObject)子系统模型。 图 3 广义对象 GeneralizedObject 子系统模型 在 SimuLink 中搭建所使用的 PID 控制器子系统模型。 图 4 PID Controller 子系统模型 由此搭建单回路控制系统如下： 图 5
9、控制系统的仿真模型 实验名称：多回路控制仿真练习 姓名：唐子涵 学号：3090104383 6 C. 仿真任务仿真任务 1：使用：使用串级控制的多回路控制策略串级控制的多回路控制策略 主要考虑阀前压力的干扰， 知： 被控变量2对的变化感受较慢， 而蒸汽流量对的变化感受较快，故这里选用一个“温度 流量”串级控制。 加入串级控制后的带控制点的工艺流程图为： 图 6 “温度 流量”串级控制的工艺流程图 改进之处在于加入了副控制器 FC31，从而构成了“温度 流量”串级控制，蒸汽流量对的感受较快，这里主要为了消除蒸汽压力变化时产生的纯滞后。同时，副回路包括了蒸汽供应子系统的非线性环节，可以消除一些非线
10、性。 该“温度 流量”串级控制的方块图为： 图 7 “温度 流量”串级控制的方块图 温度控制器 TC11流量控制器 FC31控制阀PvFT32FT32-fvRvFspRvm-T2T2mTspFT31TT12RfT1T1mRfmu广义控制阀（副回路）广义对象（主回路）实验名称：多回路控制仿真练习 姓名：唐子涵 学号：3090104383 7 控制阀为气开阀 （正作用） ， 故流量控制器 FC31 为反作用控制器； 当检测到的温度2增大时，应该减小蒸汽流量，故减小，温度控制器 TC11 为反作用控制器。 对已构建的仿真模型，修改如下：将原广义对象模型中的作为一个输出，经归一化引出；加入副控制器和副回路，引入串级控制；具体如图 8、图 9。 图 8 修改后的原广义对象(GeneralObeject)子系统
