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1、控制系统仿真课程设计（20102010 级）级）题题 目目控制系统仿真课程设计学学 院院自动化专专 业业自动化班班 级级学学 号号学生姓名学生姓名陆维俊指导教师指导教师王永忠/刘伟峰完成日期完成日期2013 年 7 月 6 日控制系统仿真课程设计（一）锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真1.1 设计目的本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的 Matlab 仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。1.2 设计原理锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，
2、目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水过多，若用此蒸汽推动汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，甚至爆炸。常见的锅炉汽水系统如图 1 所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能够达到稳定状态。给水母管蒸汽母管给水调节省煤器汽包下降管上升管过热
3、器锅炉汽水系统图在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分别对应的传递函数如下所示：（1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 1 1 1( ) ( )(1)KH SG SW Ss Ts（2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性在给水流
4、量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位” 。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。 “虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为2 2 2( )( )( )1fKKH sG sD sT ss常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位
5、来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图 2 所示。图中 LC 表示水位控制器（主回路），FC 表示给水流量控制器（副回路） ，二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。图 2.2 三冲量调节系统图锅炉水位的三冲量调节系统是一种前馈-串级符合调节系统，调节系统框图如图
6、 3 所示，其中 G3 为给水系统传递函数，a1、a2、a3 分别为汽包液位传感器、给水流量传感器及蒸汽流量传感器转换系数。G1a3G3FCLCa1G2a2RY+-+-+F图 2.3 三冲量调节系统框图在仿真实验中，以 200t/H 蒸汽锅炉汽包水位控制为例，参数设置如下：K1=0.037，T1=30，K2=3.6，T2=15，Kf=0.037，G3=20 ,a1=0.033,a2=a3=0.0173。1.3 设计内容1.掌握汽包水位的单冲量、双冲量及三冲量控制的原理及优缺点；单冲量:以汽包水位为唯一控制信号，它是典型的单回路调节系统。它结构简单，适用于小型锅炉 ，但无法克服假水位现象。双冲量
7、：被调参数水位的信号，从系统输出端返回到输入端，构成了反馈回路蒸汽流量的引入是使调节阀按此干扰量进行补偿校正，是前馈作用，而其他方面的干扰由反馈回路克服。它克服了假水位现象；但调节阀的工作特性不一定能成为线性特性，要做到静态补偿比较困难，而且对于给水系统的干扰仍旧不能克服。三冲量：G1a2G3FCLCa1G2a3RY+-+-+F引入给水流量信号，水位是主信号，蒸汽，给水为辅助冲量，这种方案是前馈-串级复合调节系统。它适合于汽包水位要求严格或变化频繁、虚假水位严重的系统；在拥有双冲量调节优点的同时可以克服给水系统的干扰；但系统的结构相对比较复杂；对于参数的整定比较复杂；2.利用 Matlab 实
8、现汽包水位的三冲量控制仿真；3.完成对锅炉水位三冲量控制系统的参数整定，要求超调小、调节时间短，对扰动的抑制效果好；主回路 PID 参数设置如下： 副回路 PID 参数设置如下：4.分析:(1)蒸汽扰动下的汽包水位动态特性;(2)不同扰动下系统的调节性能：a.蒸 汽流量发生扰动时的调节性能；b.给水压力（流量）发生扰动时的调节性能。 画出 Matlab 仿真曲线，给出调节系统的暂态及稳态性能。如图所示，t=550s 时加入给水流量 25%内扰，在 1200s 时加入水位 25%干扰，1600s 加入蒸汽流量 25%外扰。效果显示，以上三冲量控制方法和相应参数能得到较好的效果，初始时刻调整时间明
9、显短于单回路情况下的 500s，同时震荡次数也控制在可以接受的范围之内；针对三类干扰，效果都让人满意。1.4 设计问题回答1. 根据单冲量调节系统原理，说明单冲量调节系统不能克服“虚假水位”影响；答：当蒸汽负荷突然大幅度增加时，由于假水位现象，调节器不但不能开大给水阀来增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，却去关小调节阀的开度，减少给水量。等到假水位消失后，由于蒸汽量的增加，送入水量反而减少，将使水位严重下降，波动很厉害，严重时甚至会使汽包水位降到危险程度，以致发生事故。因此，对于停留时间短，负荷变动较大的情况，这样的系统不能适应，水位不能保证。2. 在锅炉水位三冲量调节系统中，前馈、主回路、副回
10、路分别起什么作用；答：前馈主要克服蒸汽负荷的干扰，副回路主要克服给水流量的干扰，主回路主要克服其它方面的干扰。3.请说明主、副回路参数整定的方法；答：用衰减曲线法，具体如下：1.副调节器：副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选 P 控制规律就可以了，设置 Proportional 为一个合理的值；2. 主调节器：主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此，主调节器应选 PI 或 PID 控制规律，在此从大到小调节 Proportional 的值，是的图像中波动的衰减比例为 4，再通过衰减曲线法的整定公式获得参数。4
11、.若锅炉工况发生变化，如锅炉的热负荷发生改变时，是否需要重新整定控制系统参数，并说明什么样的系统适合用 PID 控制方法。答：不需要。当对象为高阶又有滞后特性时，控制要求高，则采用 PID 控制，并运用多种控制级联手段。控制系统仿真课程设计（二）异步电机调速仿真设计本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的 Matlab 仿真，掌握过程控制系统设计 及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优 缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的 方法。2.1 设计内容熟悉异步电机动态方程和调速方法。 熟悉异步电机动态结构图。 异步
12、电机动态动态性能仿真。2.2设计及 Matlab 仿真过程1 1）熟悉异步电机动态方程（状态方程）熟悉异步电机动态方程（状态方程）坐标系状态方程：其中，状态变量：输入变量：电磁转矩：2 2）绘制动态结构图）绘制动态结构图2 pmp srsL rd()dn LniiTtJLJrm rrs rrd1 dLitTT rm rrs rrd1 dLitTT 22 ssrrmmm srrss2 rrrrd diR LR LLLLiutLTLL 22 ssrrmmm srrss2 rrrrddiR LR LLLLiutLTLL TssLUuuT()pm essss rn LTiiL TrrssXii 其中，
13、3/2 transform 子系统框图，2/3 transform 见下图：3 3）在）在 simulinksimulink 仿真环境下建立异步电机动态仿真模型仿真环境下建立异步电机动态仿真模型4 4）输入参数）输入参数 UA：UB：UC：TL:系数输入：5 5）异步电机动态性能仿真分析。）异步电机动态性能仿真分析。 W 和 Te 图像如下：分析： 1.动态：在空载启动大约 0.4s 内，为异步电机动态过程，转矩初始为 0，启动转矩和启动 电流很大，较大的启动转矩维持一段时间使电机转速快速提升至稳定值，未出现超调，动 态时间大约持续 0.4s。 2.稳定：0.4s 之后异步电动机空载启动完成进
14、入稳定运行阶段，由于电机负载为 0，故最终 转矩稳定在 0 左右，电机稳定运行。 3.加载：在 2s 加入给定扰动负载 10 后，再次进入动态过程，电流增大，动转矩（Te- TL0）为负值，角加速度0 导致转速 wm降低，同时电磁转矩 Te 不断增大，直至 Te=TL 时，减速过程结束，该动态过程大约持续 0.2s 的时间；0.2s 后电机重新达到新的平衡状态， 由于给定负载为 10，故三相电流增大并维持在该值。 电流图和稳态电流图分别如下：三 实践总结经过这两个星期的短学期，在之前的前期理论学习和一定的实验基础上，我对 Matlab 在控制系统仿真方面有了新的认识。之前的认识主要在于，传递函
15、数在 Matlab 中的实现方 法，是通过系统框图的各个部件组合实现；现今的认识在于，对于一个实际案例的实现， 更多地在于系统框图的构建，在合理构建的基础上用 Similink 仿真，并且进行参数调整。 尤其是在三冲量控制系统的仿真当中，我将过程控制课程中的 PID 参数整定方法合理运用 （此处主要运用衰减曲线法） ，得到了较为满意的 PID 参数。在运动控制仿真中，我熟悉 了如何构造某个对象的模型，并且把它封装成一个模型；过程中我还学会了如何导入数据： 除了可以直接赋值、直接编写 Matlab 代码外，一般常用带入.m 文件来导入数据。关于三 冲量的认识，在系统的构建中，我对“三冲量=串级+
16、前馈”有了更深刻的认识，但是实验 的结果在前馈方面没有达到预期的效果。四 致谢 非常感谢杭州电子科技大学的课程安排，给予我一个将理论知识付诸实践的机会；同 时非常感谢老师不厌其烦的指导，才让我的整个实践过程变得相对顺利；同时我还想感谢 室友和同学在各个方面的帮助，替我解了不少困惑。这次实验让我对之后的深入学习有了 一定的认识和基础。五 参考文献1. 王凤仙. 论锅炉汽包液位的三冲量调节J. 吉林广播电视大学学报, 2010, 8: 69-70. 2. 唐涛. 锅炉汽包三冲量调节系统的设计J. 化工技术与开发, 2003, 6: 014. 3. 买丽叶木. 三冲量控制系统在锅炉汽包液位的应用J. 纯碱工业, 2010 (003): 36-37
