单回路控制系统的设计和仿真

本科实验报告

课程名称：过程控制工程

唐子涵

姓名：

院系：控制系

专业：控制0904

3090104383

学号：

指导教师：戴连奎

2012年3月23日

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.仿真任务1： (3)

B.仿真任务2： (6)

C. 仿真任务3： (9)

D. 其他： (17)

课程名称： 过程控制工程 指导老师：戴连奎 成绩：_________ 实验名称： 单回路控制仿真练习 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

1. 学习搭建SimuLink 仿真模型的过程和方法；

2. 学习使用Matlab 绘制阶跃响应曲线并计算相应的特性参数的方法；

3. 学习在SimuLink 仿真环境下对控制系统进行PID 参数整定；

4. 在闭环的条件下，学习对系统的动态特性进行评估的方法；

二、主要仪器设备

PC 机、Matlab 软件。

三、实验内容和模型建立与实现

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，F R 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；V R 为加热蒸汽流量，作为工艺介质出口温度2T 的控制手段，V P 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

专业：自动化（控制） 姓名：唐子涵

学号：3090104383 日期：2012.3.23 地点：玉泉五舍515

号为100 %）。图中1m T 、2m T 、Fm R 、Vm R 分别为1T 、2T 、F R 、V R 的测量值。

图1换热器温度控制问题

在上述的背景下，本次仿真实验共有以下三个仿真任务：

A. 仿真任务1：

搭建换热器对象的SimuLink 仿真模型，其中对象输入为T 1、R F 、R V ；而对象输出为T 2。该模型应包含对象下列非线性静态关系和动态特性：

假设换热器满足如下的稳态热平衡方程：

c p R F (T 2−T 1)=ηH V R V (1)

c p 其中代表工艺介质的比热，H V 为饱和蒸汽的汽化热，η表示换热器的传热效率，并有：

K V =

ηH V c p

=450℃ (2)

此外，1、F V T 1、R F 、R V 的稳态值。

现在假设1、F V T 1、R F 、R V 之间的动态关系分别为：

g 1(s )=T 1(s )T 1

(s )=1

4s 2+5s+1e −3s (3)

g 2(s )=R F (s)R F

(s)=1

4s+1e −3s (4)

g 3(s )=

R V (s)R V (s)

=

15s+1

e −5s (5)

具体仿真任务为：

(一) 根据以上条件用SimuLink 搭建换热器的非线性动态模型；

(二) 在以下不同的静态工作点下，给出工艺介质出口温度T 2对加热蒸汽量R V 的阶跃响应曲

线（假设R V 的阶跃变化幅度为±5 kg/min ）：

1) 静态工作点为R v 0

=20kg/min 、R F 0=150kg/min 、T 10=30℃； 2) 静态工作点为R V 0=32kg/min 、R F 0=240kg/min 、T 10=30℃； 3) 静态工作点为R V 0=12kg/min 、R F 0=90kg/min 、T 10=30℃； 4) 静态工作点为R V 0=23kg/min 、R F 0=150kg/min 、T 10=21℃；

仿真模型的建立和实现过程如下：

将式(2)、(3)、(4)、(5)代入式(1)，则可得到如下结果：

g 2(s )R F (s )[T 2(s )−g 1(s )T 1(s )]=K V g 3(s)R V (s) (6)

当输入为T 1、R F 、R V ；而对象输出为T 2时，有：

T 2(s )=g 1(s )T 1(s )+K V g 3(s)R V (s)

g 2

(s )R F

(s ) (7)

依据式(7)，可在SimuLink 下构建如图2所示的仿真模型。

图2 换热器的非线性动态模型(所示参数设置为子任务1时的设置)

1) 静态工作点为R V 0=20kg/min 、R F 0=150kg/min 、T 10

=30℃；

在SimuLink 中设置好仿真参数，其中加热蒸汽量R V 在t=5s 时发生阶跃跳变，变化范围为±5kg/min ，可以得到图3所示的阶跃响应曲线。

time min

T 2 ℃

条件1下的工艺介质出口温度T2对加热蒸汽量R 的阶跃响应曲线

图3 条件1下的工艺介质出口温度T 2对加热蒸汽量R V 的阶跃响应曲线

2) 静态工作点为R V 0=32kg/min 、R F 0=240kg/min 、T 10

=30℃；

按照上述方法，设置不同的初值，即可得到图4所示的阶跃响应曲线。

图4 条件2下的工艺介质出口温度T 2对加热蒸汽量R V 的阶跃响应曲线

3) 静态工作点为R V 0=12kg/min 、R F 0=90kg/min 、T 10

=30℃；

同上，修改仿真参数，可以得到图5所示的阶跃响应曲线。

图5 条件3下的工艺介质出口温度T 2对加热蒸汽量R V 的阶跃响应曲线

4) 静态工作点为R V 0=23kg/min 、R F 0=150kg/min 、T 10

=21℃；

同上，修改仿真参数，可以得到图6所示的阶跃响应曲线。

time min

T 2 ℃

t min

T 2 ℃

条件3下的工艺介质出口温度T2对加热蒸汽量R 的阶跃响应曲线