混合器溫度控制系統(tǒng)的分析與仿真

1、濱江學院自動控制原理綜合實驗題目混合器溫度控制系統(tǒng)的分析與仿真院系濱江學院專業(yè) 信息工程（系統(tǒng)工程方向）學生姓名章玲玲學號20092325042指導教師范志勇二一二年6月6日精品文檔目錄1系統(tǒng)介紹 .- 2 -2物理模型圖 .- 2 -3.系統(tǒng)分析 .- 3 -3.1混合器溫度控制系統(tǒng)的結構框圖.- 3 -3.2各個環(huán)節(jié)的函數(shù)推導 .- 3 -4. 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 .- 5 -4.1代入?yún)?shù)值 .- 5 -4.2根軌跡 .- 5 -4.3Bode 圖 .- 6 -4.4系統(tǒng)階躍響應 .- 7 -5系統(tǒng)動態(tài)性能分析 .- 8-5.1使用 MATLAB求系統(tǒng)各動態(tài)性能指標 .- 8-6 系統(tǒng)仿真

2、.- 10-7 總結與體會 .- 12-。- 1 -歡迎下載精品文檔1系統(tǒng)介紹下圖是混合器出口溫度調節(jié)系統(tǒng)示意圖，混合器的容積 V=500L，物料 A 和物料 B 均為液體，流入容器中混合加熱， 用蒸汽在混合器的夾套加熱中釋放熱量，并將熱量傳給被加熱流體，夾套內的蒸氣壓力為： 98.1kPa 。生產(chǎn)要求此混合器物料出口溫度保持在 80，并已知物料的流量為 Fa=20kg/min，入口溫度為 20 保持不變，物料 B 的流量為 80 kg/min ，入口溫度為 f=20 10即在 1030 之間變化，物料 A 和 B 的密度 =1kg/L ，比熱容 C=4.18Kj/kg 。安裝在混合器出口處的

3、測溫元件為熱電阻，經(jīng)過溫度變送器（測溫范圍為100200）后，將溫度信號送到調節(jié)器中，與給定信號 X=80進行比較，并根據(jù)比較后的偏差以一定的調節(jié)規(guī)律輸出驅動調節(jié)閥， 使加熱蒸汽流量 q 作相應的變化，以保證生產(chǎn)的需要。2物理模型圖TCTTYA+B蒸汽 q混合器冷凝液A 物料F (20。C)B 物料A。B10 C)F (20圖 1 系統(tǒng)原理圖。- 2 -歡迎下載精品文檔3. 系統(tǒng)分析3.1混合器溫度控制系統(tǒng)的結構框圖fY調節(jié)器調節(jié)閥對象-測送對象圖2 系統(tǒng)結構框圖3.2 各個環(huán)節(jié)的函數(shù)推導1, 調節(jié)對象 ( 混合器 ) 的動態(tài)方程式假設混合器和夾套之間的器壁較薄， 傳熱性能良好， 同時夾套外的

4、保溫層絕熱性能較好， 熱量散失可以忽略不計， 根據(jù)動態(tài)能量守恒定律， 則混合器中物料蓄存熱量的變化率應等于每分鐘蒸汽冷凝釋放的熱量減去每分鐘流出混合器物料吸收的熱量。它的數(shù)學表達式是C V dy = q-C Fa(y-u0)+C Fb(y-f)，其中各個字dt母所代表的含義如下：式中 C物料 A 和 B 的比熱， C=4.18KJ/kg ;V混合器容積， V=500L;物料 A 和 B 的密度； =1kg/L;y混合器物料出口溫度，即被調參數(shù), ；t 時間， min; 蒸氣 在夾 套中98.1kPa 壓力 下， 冷凝 釋放的氣化潛熱， =2259.4kJ/kg;q蒸氣流量， kg/min;Fa

5、 , Fb 物料 A 和 B 的流量；u物料 A 的入口溫度， u=20 ;f 物料 B 的入口溫度， f=2010。上面的方程是混合器的原始微分方程式， 由于系統(tǒng)是從平衡狀態(tài)開始變化的，由此采用增量方程表示，即 y=y-y 0 , f=f-f 0, 其余類推。若 Fa、Fb、u。- 3 -歡迎下載精品文檔不變，上市的增量形式為： C V(d y)/dt= q-C Fa y +C Fb( y- f)將方程兩端同時除以 C(Fa+Fb)可得到下式：CV q+fC(d y)/dt+ y=Fb)C (Fa Fb)C ( Fa Fb )C (Fa簡化為 T0(d y)/dt+ y=K0q+Kff,其中

6、， T0=CVC ( Fa=5min,Fb)=5.4。K0=kg / minC ( FaFb )傳遞函數(shù)為 G0(s)=Ko, 其中 To=5min 為對象的時間常數(shù) ;K O為對象ToS15.4控制通道的時間常數(shù)，取值為kg / min 。2, 調節(jié)閥的傳遞函數(shù)推導過程：氣動薄膜調節(jié)閥的動態(tài)特性方程為dqTv+ q= KvP ;dt假設調節(jié)閥的膜頭尺寸較小， 從調節(jié)器到調節(jié)閥的傳送管線又較短， 所以閥的時間常數(shù)很小，且遠小于調節(jié)對象和測量元件的時間常數(shù)，因此可忽略不計，故可認為該環(huán)節(jié)是一個比例放大環(huán)節(jié)，經(jīng)過計算可求得Kv=0.3 kg / min , 其中Kv 是調節(jié)閥的放大系數(shù) ;3, 測

7、量、變送單元的傳遞函數(shù)推導過程為：變送器的動態(tài)特性為放大環(huán)節(jié)，熱電阻的動態(tài)特性與熱電偶相同，則測量便送單元的傳遞函數(shù)克表示為:Hm(s) =1, 其中式子中 Tm代表熱電阻的時間TmS1常數(shù)，取之為 2.5min. 實際上由于與對象的時間常數(shù)相比，測量變送環(huán)節(jié)的時間常數(shù)可以不計。4, 調節(jié)器的傳遞函數(shù)為Gc(s)=Kc1+1 +(Kd-1)1, 其中 Ti 取 5TiSTd / KdS1分鐘（一般可取 310 分鐘） ,Td 取 2 分鐘 ( 一般可取 0.53 分鐘 ),Kd 取 6，比例度取 40%(一般可取 20%60%),若采用的測量范圍 ( 量程 ) 為 50100, 輸出氣壓范圍為

8、 20100kPa 的氣動溫度變送器 , 根據(jù)比例度的定義 , 可計算出調節(jié)器的放大倍數(shù)是 :Kc=1 PmaxP min =1/40%*80/50=4kPa/ Z max Z min5，控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：利用控制系統(tǒng)方框圖可求得控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù):。- 4 -歡迎下載精品文檔Y (s) =KcKvK0/(T0TmS2)+(T0+Tm)S+(1+KcKvK0)X ( s)4. 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析4.1代入?yún)?shù)值系統(tǒng)的閉環(huán)傳函： G(s)=1.307/(S 2+0.6S+1.117);系統(tǒng)的開環(huán)傳函： H(s)=1.307/(S 2+0.6S-0.19);4.2根軌跡用如下程序將傳遞函數(shù)

9、在MATLAB中表示出來 :num=1.307den=1,0.6,- 0.19sys=tf(num,den)用 MATLAB顯示為 : Transfer function: 1.307-s2 + 0.6 s - 0.19用如下程序將傳遞函數(shù)的根軌跡圖在MATLAB中表示出來 :num=1.307den=1,0.6,-0.19rlocus(num,den)用 MATLAB做出的根軌跡如圖3 所示 :。- 5 -歡迎下載精品文檔Root Locus0.40.30.20.1sixAyra0nigamI-0.1-0.2-0.3-0.4-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.4Real Axis

10、圖 3 根軌跡圖由于系統(tǒng)在左半平面有極點, 因此為不穩(wěn)定系統(tǒng) .4.3 Bode圖開環(huán)傳遞函數(shù)相角裕度增益裕度仿真程序：num=1.307den=1,0.6,-0.19sys=tf(num,den)mag,phase,w=bode(num,den)gm,pm,wcg,wcp=margin(mag,phase,w)margin(sys)。- 6 -歡迎下載2010)B0d(edu-10tinga-20M-30-40-140)-150ged(-160esahP-170-180-210精品文檔Bode DiagramGm = -16.8 dB (at 0 rad/sec) , Pm = 27 deg

11、 (at 0.987 rad/sec)System: sysFrequency (rad/sec): 0.985Magnitude (dB): 0.079System: sysFrequency (rad/sec): 1.01Phase (deg): -153-101101010Frequency(rad/sec)圖 4 Bode 圖MATLAB上顯示： gm =0.1452pm=26.9546wcg =0.0038wcp =0.9872由圖 4可知：截止頻率為 0.99rad/s ；相角裕度為 26。；幅值裕度為 0.0038 。4.4系統(tǒng)階躍響應閉環(huán)傳遞函數(shù)： G(s)=1.307/(S

12、2+0.6S+1.117);利用如下程序在 MATLAB中對系統(tǒng)繪制單位階躍響應:num=1.307den=1,0.6,1.117step(num,den)。- 7 -歡迎下載精品文檔圖 5 系統(tǒng)階躍響應圖5 系統(tǒng)動態(tài)性能分析5.1 使用 MATLAB求系統(tǒng)各動態(tài)性能指標在 MATLAB輸入的指令為： num=0,0,1.307; den=1,0.6,1.117; G=tf(num,den); t=0:0.01:1; c=step(G,t);plot(t,c) grid y,x,t=step(num,den,t); maxy=max(y) ys=y(length(t) pos=(maxy-ys

13、)/ys n=1;while y(n)0.5*ys n=n+1;end td=t(n)。- 8 -歡迎下載精品文檔n=1;while y(n)ysn=n+1;endtr=t(n)n=1;while y(n)0.95*ys)&(y(L)1.05*ys)L=L-1;endts=t(L)title( Unit-Step Response of G(s)章玲玲 )軟件輸出如下為：圖 6。- 9 -歡迎下載精品文檔圖 7 系統(tǒng)各項性能指標6 系統(tǒng)仿真在 MATLAB命令窗口中輸入 SIMULINK,然后點 File NewModel, 在 SOURCE 中選擇 STEP模塊 , 在 SINKS中選擇 SCOP模塊 , 在 CONTINUOUS中選擇傳遞函數(shù) ,雙擊更改極點和零點 ( 如圖 9 所示 ), 用直線將模塊連接后 （如圖 8）, 點擊 START, 雙擊示波器 , 即可看到仿真圖形 .系統(tǒng) MATLAB仿真圖形如圖 8 所示 ;。- 10 -歡迎下載精品文檔圖 8 系統(tǒng)模型圖圖 9 參數(shù)設置圖。- 11 -歡迎下載精品文檔圖 10 系統(tǒng)仿真圖7 總結與體會溫度是工業(yè)生產(chǎn)中相當重要的參數(shù)之一 , 溫度檢測和控制的準確性直接影響生產(chǎn)狀況和產(chǎn)品質量。 因此 , 在很多工業(yè)現(xiàn)場 , 對溫度測量及控制的精度都有著很高的要求。我做的是混合器溫度控制系統(tǒng)， 在