控制系统仿真课程设计

控制系统仿真课程设计

（2010级）

题目控制系统仿真课程设计学院自动化

专业自动化

班级

学号

学生姓名

指导教师王永忠/刘伟峰

完成日期2013年7月

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，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1-1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。

图1-1 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

()111()()(1)K H S G S W S s T s ==+ （1.1） （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性

在给水流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 222()()()1f K K H s G s D s T s s ==-+ （1.2）

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1-2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1-2 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1-3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。 ΣG 1a3

G 3FC LC a 1G 2

a2R Y +

-+-++F

+L

图1-3 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： 0173.0,033.0,20,037.0,15,6.3,30,037.032132211=========a a a G K T K T K f 初始时刻加入单位阶跃响应，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

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：以液位为被控变量，对给水流量进行调整。优点：结构简单，设计

方便；缺点：易受虚假水位的影响。

双冲量：以液位为被控变量，对蒸汽量进行前馈控制，构成的前馈反馈控制系统，从而对给水流量进行调整。优点：可以克服虚假水位的影响；缺点：对给水流量的影响不能进行调节。

三冲量：以液位为主被控变量，给水流量为副被控变量，对蒸汽量进行前馈控制，构成的前馈串级控制系统，从而对给水流量进行调整。优点：可以克服虚假水位和给水流量波动的影响；缺点：结构较为复杂。

2.利用Matlab实现汽包水位的三冲量控制仿真；

参数结果：主环：Kp=3.3175 ；KI=0.0036 ；Kd=0.0012

副环：Kp=15；Ki=0；kd=0

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；

在t=550s时加入给水流量25%内扰，在1200s时加入水位25%干扰（此处放大了4倍），1600s加入蒸汽流量25%外扰。

调节结果较好，在300秒左右就稳定了，上升时间较快，超调量较小。

4.分析:(1)蒸汽扰动下的汽包水位动态特性;

显然，蒸汽对汽包液位的影响具有反向特性，即当蒸汽增加时，汽包水位先升后降。

(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；

如图，蒸汽的波动对也为影响也通过前馈调节器较为快速的克服了。说明前馈可以快速克服扰动。

b.给水压力（流量）发生扰动时的调节性能。

从图中可以看出来，给水量可以快速地通过副环进行调节。速度相当快，若没有副环，调节结果如下图所示，过程相当慢，而且超调量和调节时间都增加了。也由此可见，副环可以减小了响应时间，快速克服环内干扰。

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：当蒸汽流量突然增加时，汽包水位不降反升；而当蒸汽流量突然减小时，汽包水位不先反降，这即为虚假水位。而单冲量以汽包液位作为被控量，当蒸汽量增加时，汽包水位先升高，这时结果引起进水量下降，而事实上应该增加水量，以防止干烧。同理，当蒸汽量减小时，液位先下降，这是进水量就增加；而事实上应减小进水量，所以单冲量调节系统不能克服虚假水位。

2. 在锅炉水位三冲量调节系统中，前馈、主回路、副回路分别起什么作用；答：前馈：测量蒸汽量干扰，并且快速的通过前馈控制器加以克服；

副回路：对进水流量的波动进行快速消除；

主回路：通过反馈调节，使汽包液位稳定在设定值上。

3.请说明主、副回路参数整定的方法；

答：两步整定法：按照串级调节系统主、副回路的情况，先整定副调节器步骤：step1：在工况稳定下，主、副调节器都在纯比例作用运行的条件下，将主调节器的比例度固定在100％刻度上，逐渐减小副调节器的比例度，求取副回

路在满足某种衰减比（如4：1）过渡过程下的副调节器比例度和操作周期，分别用s 2δ和s T 2表示。

step2：在副调节器比例度等于s 2δ的条件下，逐步减小主调节器的比例度，直至得到同样衰减比下的调节过程，记下此时主调节器的比例度s 1δ，和操作周期s T 1。

step3：根据上面得到的s 2δ、s T 2、s 1δ，s T 1，计算主、副调节器的比例度、积分时间和微分时间。

step4：按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律，将计算出的调节器参数加到调节器上。

step5：观察调节过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。

4.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

本课程设计的目的在于了解交流异步电机的原理，组成及各主要单元部件的原理。设计交流异步电机动态结构系统；掌握交流异步电机调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。

2.1 设计内容

1.熟悉异步电机动态方程和调速方法。

异步电机调速方法有很多，按照调节手段可分为调压调速、调阻调速和调频调速；按照调节阶段可分为稳态调速和动态调速。

异步电机工作在额定电压和额定频率下，仿真异步电机在空载启动和加载过程中的转速和电流变化过程。仿真电动机参数如下：Ω=85.1s R ，Ω=658.2r R ，

V U n s Nm J H L H L H L N p m r s 380,2,.1284.0,2838.0,2898.0,2941.02======，

HZ f N 50=，此外，中间需要计算的参数如下：r

s m L L L 2

1-=σ，r r r R L T =， 222r

m r r s t L L R L R R +=，m N T L .10=。βα,坐标系状态方程： αβααωψψψs r

m r r r r i T L T dt d +--=1 βαββ

ωψψψs r

m r r r r i T L T dt d ++-=1 ααβααωψψσs s r

m r r s r r m r r r m s s u i L L R L R L L T L L dt di L ++-+=222 ββαββ

ωψψσs s r m r r s r r m r r r m s s u i L L R L R L L T L L dt di L ++--=2

22

电磁转矩：()βααβψψs s s s r m

p e i i L L n T -=

2.熟悉异步电机动态结构图。

以[]T s s r r i i X β

αβαψψω=为状态变量；[]T L s s T u u U βα=为输入变量而输出变量为[]T

r r Y 2

2

βαψψω+=。通过这些变量作出的结构图是进行仿真的基础和依据。 3.异步电机动态动态性能仿真。

步骤1：打开simulink 仿真程序。绘制异步电机动态结构图。

步骤2：封装上图中的框图。结果如图2-1所示。

图2-1 异步电机simulink结构图封装

步骤3：绘制3/2转换环节。在图2-1封装基础上，添加三相交流UA、UB、UC 输入，该输入经过3/2坐标变换，作为 坐标系的输入，如图2-2。

步骤4：添加2/3转换环节，如图2-2和图2-4。

图2-2 带3相输入的异步电机框图

其中，3/2 transform子系统框图如下图2-3；2/3 transform见下图2-4：

图2-3. 3/2

图2-4. 2/3转换子系统

注意：1）图5，6中标注的三角形增益为矩阵增益，假设输入为U,增益为矩阵C ，那么，增益(Gain)环节的设置如下：

2）三项电流频率设为2*pi*fn ，相位分别设为0,-2*pi/3, 2*pi/3，大小设为Un 。

3）仿真参数设置。

步骤5：运行simulink 仿真程序。

2.2 设计及Matlab 仿真过程

动态结构图

图2-5. 三相异步电机动态结构图

3 在simulink 仿真环境下建立异步电机动态仿真模型

图2-6. Simulink 三相异步电机动态结构图

输入参数

Ω=85.1s R ，Ω=658.2r R ，H L H L H L m r s 2838.0,2898.0,2941.0=== V U n s Nm J N p 380,2,.1284.02===，HZ f N 50=

Matlab程序为

clc;

clear all;

Rs = 1.85; %

Rr=2.658;

Ls=0.294;

Lr = 0.2898;

Lm = 0.2838;

J = 0.1284; %转动惯量np = 2; %′磁极对数Un = 380; %线电压fn = 50; %频率

sig = 1-Lm*Lm/(Ls*Lr);

Tr = Lr/Rr;

Rt = (Rs*Lr*Lr +

Rr*Lm*Lm)/(Lr*Lr);

TL = 10;

C32 = sqrt(2/3)*[1 -1/2 -1/2;0 sqrt(3)/2 -sqrt(3)/2];

C23= sqrt(2/3)*[1 0;-1/2

sqrt(3)/2;-1/2 -sqrt(3)/2];

5. 异步电机动态性能仿真分析。

（1）在2.5s时加上负载的动态仿真结果图像（2）0-2.5s时空载图像

转速w

转速w

负载转矩Te

负载转矩Te

（3）在2.5s时加上负载（负载为15）的仿真图像

（4）三相电流变化整体图像

（5）稳定时三相电流变化局部图像

转速w

负载转矩Te

通过前四幅图，看出空载和负载启动时，转速在动态过程逐渐增加，而转矩呈现出震荡特性；经过0.3秒变成稳态，转速维持在一定的速度（约320），转矩维持在0；在2.5s时加上负载，此时负载转矩增加而转速略微下降，稳定时转速稳定在305左右，而转矩稳定在15N.m。从图中可以看出空载转速略高于负载转速，。

三相电流在0.3秒前呈现剧烈的震荡的现象，而后稳定。图中也可以看出空载输出的三相电流幅值大于负载输出的三相电流幅值。

三实践总结

经过这两个星期的短学期，学习到了许多知识。首先对于汽包水位的调节实验中，学习到了什么是虚假水位，什么是单冲量，双冲量和三冲量调节系统以及各自的优缺点，了解了前馈控制和串级控制的优缺点。并且对于PID整定的方法也有许多了解。对于异步电机调速仿真的实验中，学习到了如何通过状态方程以及动态结构图画出Simulink仿真图，如何生成子系统，如何进行电流的2/3转换和3/2转换，以及一些Matlab仿真时的参数调节方法。

四致谢

非常感谢刘伟峰老师和王永忠老师两周来的悉心教导，以及班级同学帮助。在这两周里学习中遇到了许许多多小问题，对于这些小问题，老师总是不厌其烦的一一指导，在这里我要再次感谢他们。正因为有他们，我才能独立地完成本次短学期的要求。

五参考文献

[1]. 薛安克等,运动控制系统,北京:机械工业出版社,2007. 第6章第6节

[2]. 阮毅等, 运动控制系统，北京:机械工业出版社,2006,第4章

[3] 施仁，刘文江，郑辑光，刘勇.自动化仪表与过程控制系统.北京：电子工业出版社,2009:305-309.

[4] 周玲玲．异步电动机调速系统建模与仿真研究．微电机．2004．1．

[5] 张子才龚争理锅炉汽包水位串级三冲量控制系统设计与应用国外电子测量技术2011.04