控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計

1、布51代.的外大,學(xué)控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計（2010 級）題 目控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計學(xué) 院自動化專 業(yè)自動化學(xué)生姓名2013年7月指導(dǎo)教師王永忠/劉偉峰 完成日期控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計（一）鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)仿真1.1 設(shè)計目的本課程設(shè)計的目的是通過對鍋爐水位控制系統(tǒng)的Matlab仿真，掌握過程控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真的一般方法，深入了解反饋控制、前饋-反饋控制、前饋-申級 控制系統(tǒng)的性能及優(yōu)缺點，實驗分析控制系統(tǒng)參數(shù)與系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能之間的關(guān)系， 掌握過程控制系統(tǒng)參數(shù)整定的方法。1.2 設(shè)計原理鍋爐汽包水位控制的操作變量是給水流量，目的是使汽包水位維持在給定的 范圍內(nèi)。汽包液位過高會影響汽水分離效

2、果， 使蒸汽帶水過多，若用此蒸汽推動 汽輪機，會使汽輪機的噴嘴、葉片結(jié)垢，嚴(yán)重時可能使汽輪機發(fā)生水沖擊而損壞 葉片。汽包液位過低，水循環(huán)就會被破壞，引起水冷壁管的破裂，嚴(yán)重時會造成 干鍋，甚至爆炸。常見的鍋爐汽水系統(tǒng)如圖1-1所示，鍋爐汽包水位受汽包中儲水量及水位下 汽包容積的影響，而水位下汽包容積與蒸汽負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等有關(guān)。 影響水位變化的因素主要是鍋爐蒸發(fā)量（蒸汽流量）和給水流量，鍋爐汽包水位 控制就是通過調(diào)節(jié)給水量，使得汽包水位在蒸汽負(fù)荷及給水流量變化的情況下能 夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖1-1鍋爐汽水系統(tǒng)圖在給水流量及蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化時， 鍋爐汽包水位會發(fā)生相應(yīng)的變化，其分 別對應(yīng)

3、的傳遞函數(shù)如下所示：(1)汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)特性汽包和給水可以看做單容無自衡對象， 當(dāng)給水增加時，一方面會使得汽包水 位升高，另一方面由于給水溫度比汽包內(nèi)飽和水的溫度低， 又會使得汽包中氣泡 減少，導(dǎo)致水位降低，兩方面的因素結(jié)合，在加上給水系統(tǒng)中省煤器等設(shè)備帶來 延遲，使得汽包水位的變化具有一定的滯后。因此，汽包水位在給水流量作用下， 近似于一個積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)的無自衡系統(tǒng)，系統(tǒng)特性可以表示為G1S =H(S)W(S)Kis(T1s 1)(1.1 )(2)汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性在給水流量及爐膛熱負(fù)荷不變的情況下， 當(dāng)蒸汽流量突然增加時，瞬間會導(dǎo) 致汽包壓力的降低

4、，使得汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中氣泡迅速增加，將整個 水位抬高；而當(dāng)蒸汽流量突然減小時，汽包內(nèi)壓力會瞬間增加，使得水面下汽包的容積變小，出現(xiàn)水位先下降后上升的現(xiàn)象，上述現(xiàn)象稱為“虛假水位”。虛假 水位在大中型中高壓鍋爐中比較顯著， 會嚴(yán)重影響鍋爐的安全運行。“虛假水位”現(xiàn)象屬于反向特性，變化速度很快，變化幅值與蒸汽量擾動大小成正比， 也與壓 力變化速度成正比，系統(tǒng)特性可以表示為G2(s)=H(s)D(s)K2T2s 1Kfs(1.2)常用的鍋爐水位控制方法有：單沖量控制、雙沖量控制及三沖量控制。單沖 量方法僅是根據(jù)汽包水位來控制進(jìn)水量，顯然無法克服“虛假水位”的影響。而 雙沖量是將蒸汽流量作

5、為前饋量用于汽包水位的調(diào)節(jié)，構(gòu)成前饋-反饋符合控制 系統(tǒng)，可以克服“虛假水位”影響。但雙沖量控制系統(tǒng)要求調(diào)節(jié)閥具有好的線性 特性，并且不能迅速消除給水壓力等擾動的影響。 為此，可將給水流量信號引入， 構(gòu)成三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖1-2所示。圖中LC表示水位控制器(主回路)，F(xiàn)C 表示給水流量控制器(副回路)，二者構(gòu)成一個審級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在實現(xiàn)鍋爐水位 控制的同時，可以快速消除給水系統(tǒng)擾動影響；而蒸汽流量作為前饋量用于消除“虛假水位”的影響蒸汽圖1-2三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖鍋爐水位的三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一種前饋-申級符合調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖 如圖1-3所示，其中G3為給水系統(tǒng)傳遞函數(shù)，al、a2、a3分別為汽

6、包液位傳感 器、給水流量傳感器及蒸汽流量傳感器轉(zhuǎn)換系數(shù)K1 =0.037,T1 =30, K2 =3.6,T2 =15,Kf = 0.037,G3 =20,a1 = 0.033,a2 = a3 =0.0173初始時刻加入單位階躍響應(yīng)，t=550s時加入給水流量25%內(nèi)擾，在1200s時加入水位25%干擾，1600s加入蒸汽流量25%外擾1.3 設(shè)計內(nèi)容1.掌握汽包水位的單沖量、雙沖量及三沖量控制的原理及優(yōu)缺點；單沖量：以液位為被控變量，對給水流量進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計方便；缺點：易受虛假水位的影響雙沖量：以液位為被控變量，對蒸汽量進(jìn)行前饋控制，構(gòu)成的前饋反饋控制系統(tǒng)，從而對給水流量進(jìn)行

7、調(diào)整。優(yōu)點：可以克服虛假水位的影響；缺點：對給水流量的影響不能進(jìn)行調(diào)節(jié)。三沖量：以液位為主被控變量，給水流量為副被控變量，對蒸汽量進(jìn)行前饋控制，構(gòu)成的前饋審級控制系統(tǒng)，從而對給水流量進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)點：可以克服虛假水位和給水流量波動的影響；缺點：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜2.利用Matlab實現(xiàn)汽包水位的三沖量控制仿真;Galnl口Lewel outporl+CD用修itwtl disluib參數(shù)結(jié)果：主環(huán)：Kp=3.3175 ; KI=0.0036 ; Kd=0.0012副環(huán)：Kp=15; Ki=0; kd=03 .完成對鍋爐水位三沖量控制系統(tǒng)的參數(shù)整定，要求超調(diào)小、調(diào)節(jié)時間短, 對擾動的抑制效果好；50在t

8、=550s時加入給水流量25%內(nèi)擾，在1200s時加入水位25%干擾(此處放大了 4倍)，1600s加入蒸汽流量25%外擾。調(diào)節(jié)結(jié)果較好，在300秒左右就穩(wěn)定了，上升時間較快，超調(diào)量較小。4 .分析:(1)蒸汽擾動下的汽包水位動態(tài)特性；1八“，-,1JI一:J0200 m 600300 1000 1200 1400 1600 1600 2000顯然，蒸汽對汽包液位的影響具有反向特性， 即當(dāng)蒸汽增加時，汽包水位先升后降。(2)不同擾動下系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能: a.蒸汽流量發(fā)生擾動時的調(diào)節(jié)性能；34如圖，蒸汽的波動對也為影響也通過前饋調(diào)節(jié)器較為快速的克服了。說明前饋可以快速克服擾動。b.給水壓力（流量）

9、發(fā)生擾動時的調(diào)節(jié)性能。從圖中可以看出來，給水量可以快速地通過副環(huán)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 速度相當(dāng)快，若沒有副環(huán)，調(diào)節(jié)結(jié)果如下圖所示，過程相當(dāng)慢，而且超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間都增加了。也由此可見，副環(huán)可以減小了響應(yīng)時間，快速克服環(huán)內(nèi)干擾。501.4設(shè)計問題回答1 .根據(jù)單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理，說明單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能克服“虛假水位”影響；答：當(dāng)蒸汽流量突然增加時，汽包水位不降反升；而當(dāng)蒸汽流量突然減小時， 汽包水位不先反降，這即為虛假水位。而單沖量以汽包液位作為被控量，當(dāng)蒸汽 量增加時，汽包水位先升高，這時結(jié)果引起進(jìn)水量下降，而事實上應(yīng)該增加水量， 以防止干燒。同理，當(dāng)蒸汽量減小時，液位先下降，這是進(jìn)水量就增加；而事實

10、上應(yīng)減小進(jìn)水量，所以單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能克服虛假水位。2 .在鍋爐水位三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，前饋、主回路、副回路分別起什么作用； 答：前饋：測量蒸汽量干擾，并且快速的通過前饋控制器加以克服；副回路：對進(jìn)水流量的波動進(jìn)行快速消除；主回路：通過反饋調(diào)節(jié)，使汽包液位穩(wěn)定在設(shè)定值上。3 .請說明主、副回路參數(shù)整定的方法；答：兩步整定法：按照審級調(diào)節(jié)系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副調(diào)節(jié)器 步驟：stepl :在工況穩(wěn)定下，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用運行的條件下，將主調(diào)節(jié)器的比例度固定在100%刻度上，逐漸減小副調(diào)節(jié)器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比（如 4: 1）過渡過程下的副調(diào)節(jié)器比例度和操作周期，分別用

11、62s和T2s表示。step2:在副調(diào)節(jié)器比例度等于62s的條件下，逐步減小主調(diào)節(jié)器的比例度，直至得到同樣衰減比下的調(diào)節(jié)過程，記下此時主調(diào)節(jié)器的比例度6is,和操作周期 Tis。step3:根據(jù)上面得到的近、T2s、Sis , Tis,計算主、副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間和微分時間。step4：按 先副后主”、先比例次積分后微分”的整定規(guī)律，將計算出的調(diào)節(jié)器參數(shù)加到調(diào)節(jié)器上。step5:觀察調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)調(diào)整，直到獲得滿意的過渡過程。4 .若鍋爐工況發(fā)生變化，如鍋爐的熱負(fù)荷發(fā)生改變時，是否需要重新整定控制系 統(tǒng)參數(shù)，并說明什么樣的系統(tǒng)適合用 PID控制方法。答：不需要當(dāng)對象為高階又有滯后特性時，

12、控制要求高，則采用 PID控制，并運用多 種控制級聯(lián)手段。控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計（二）異步電機調(diào)速仿真設(shè)計本課程設(shè)計的目的在于了解交流異步電機的原理， 組成及各主要單元部件的 原理。設(shè)計交流異步電機動態(tài)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；掌握交流異步電機調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試步驟， 方法及參數(shù)的整定。2.1設(shè)計內(nèi)容1 .熟悉異步電機動態(tài)方程和調(diào)速方法異步電機調(diào)速方法有很多，按照調(diào)節(jié)手段可分為調(diào)壓調(diào)速、調(diào)阻調(diào)速和調(diào)頻 調(diào)速；按照調(diào)節(jié)階段可分為穩(wěn)態(tài)調(diào)速和動態(tài)調(diào)速。異步電機工作在額定電壓和額定頻率下， 仿真異步電機在空載啟動和加載過 程中的轉(zhuǎn)速和電流變化過程。仿真電動機參數(shù)如下：Rs =1.85Q , Rr = 2.658C ,Ls

13、=0.2941H, Lr =0.2898H, Lm =0.2838H , J = 0.1284Nm.s2, np = 2, UN = 380V ,fN =50HZ ,此外，中間需要計算的參數(shù)如下c- = 1LmLsLrLrRrRt -22RsLrRrLmL2,TL=10N.m。U,B坐標(biāo)系狀態(tài)方程:d-r :!1-dtTrLmiTrd1- r：dt；一 r ；Lmis：lrI r二 Lsdis：.LmLmdtLrTrLrr-22RsLrRrLm .L2us：二 Lsdis-：LmLmdtLrTrLrRsL2RrLmis uL2電磁轉(zhuǎn)矩：Te二牛m is，：sis；7Lr2 .熟悉異步電機動態(tài)結(jié)

14、構(gòu)圖。以X = BWyVrpisuispT為狀態(tài)變量；U = U3a uspTL T為輸入變量而輸出變 量為Y = b 折”%T。通過這些變量作出的結(jié)構(gòu)圖是進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)和依據(jù)。3 .異步電機動態(tài)動態(tài)性能仿真。步驟1:打開simulink仿真程序。繪制異步電機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。步驟2:封裝上圖中的框圖。結(jié)果如圖 2-1所示。步驟3:繪制3/2轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。在圖2-1封裝基礎(chǔ)上，添加三相交流 UA、UB、UC 輸入，該輸入經(jīng)過3/2坐標(biāo)變換，作為aP坐標(biāo)系的輸入，如圖2-2。步驟4:添加2/3轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，如圖2-2和圖2-4AC Mcrtnir圖2-2帶3相輸入的異步電機框圖其中，3/2 transform

15、子系統(tǒng)框圖如下圖2-3; 2/3 transform見下圖2-4：uhUsb(,iain圖2-4. 2/3轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)7增益為矩 、陣和向量； 一二乘積關(guān)系圖2-3. 3/2轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)注意：1）圖5, 6中標(biāo)注的三角形增益為矩陣增益，假設(shè)輸入為U,增益為矩陣C,那么，增益（Gain）環(huán)節(jié)的設(shè)置如下:2）三項電流頻率設(shè)為 2*pi*fn ,相位分別設(shè)為0,-2*pi/3, 2*pi/3 ,大小設(shè)為Un。3）仿真參數(shù)設(shè)置。步驟5:運行simulink仿真程序。2.2設(shè)計及Matlab仿真過程動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-5.三相異步電機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖三相異步電機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖 2-6. Simulink輸入?yún)?shù)Rs=1

16、.85C, Rr =2.65潦，Ls0.2941H , Lr =0.2898H , Lm =0.2838HJ =0.1284Nm.s2,np =2,Un = 380V , fN =50HZMatlab程序為clc;clear all ;Rs = 1.85;%Rr=2.658;Ls=0.294;Lr = 0.2898;Lm = 0.2838;J = 0.1284;%轉(zhuǎn)動慣量np = 2;%磁極對數(shù)Un = 380; 獻(xiàn)電壓fn = 50; 四率sig = 1-Lm*Lm/(Ls*Lr);Tr = Lr/Rr;Rt = (Rs*Lr*Lr +Rr*Lm*Lm)/(Lr*Lr);TL = 10;C3

17、2 = sqrt(2/3)*1-1/2-1/2;0sqrt(3)/2 -sqrt(3)/2;C23= sqrt(2/3)*1 0;-1/2 sqrt(3)/2;-1/2 -sqrt(3)/2;5.異步電機動態(tài)性能仿真分析。用, r；jjjr-罰 l .： i. j.；. ：.(1)在2.5s時加上負(fù)載的動態(tài)仿真結(jié)果圖像鄧 :i: :I10 I7mi：k: ：mlI1|I1iL00511.522.533.54i.5皿： 負(fù)載轉(zhuǎn)矩Te(3)在2.5s時加上負(fù)載(負(fù)載為15)的仿真圖像360300250nnn11:；:.單; :轉(zhuǎn)速wtL2,533.54455(4)三相電流變化整體圖像通過前四幅圖，

18、 看出空載和負(fù)載啟動時， 轉(zhuǎn)速在動態(tài)過程逐漸增加， 而轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)出震蕩特性；經(jīng)過0.3秒變成穩(wěn)態(tài)，轉(zhuǎn)速維持在一定的速度（約 320） ，轉(zhuǎn)矩維持在0；在 2.5s 時加上負(fù)載，此時負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加而轉(zhuǎn)速略微下降，穩(wěn)定時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在305 左右，而轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定在15N.m。 從圖中可以看出空載轉(zhuǎn)速略高于負(fù)載轉(zhuǎn)速， 。三相電流在 0.3秒前呈現(xiàn)劇烈的震蕩的現(xiàn)象，而后穩(wěn)定。圖中也可以看出空載輸出的三相電流幅值大于負(fù)載輸出的三相電流幅值。三 實踐總結(jié)經(jīng)過這兩個星期的短學(xué)期， 學(xué)習(xí)到了許多知識。 首先對于汽包水位的調(diào)節(jié)實驗中， 學(xué)習(xí)到了什么是虛假水位， 什么是單沖量， 雙沖量和三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及各自的優(yōu)缺點，了解了前饋控制和串級控制的優(yōu)缺點。并且對于 PID 整定的方法也有許多了解。 對于異步電機調(diào)速仿真的實驗中， 學(xué)習(xí)到了如何通過狀態(tài)方程以及動態(tài)結(jié)構(gòu)圖畫出 Simulink 仿真圖， 如何生成子系統(tǒng)， 如何進(jìn)行電流的 2/3 轉(zhuǎn)換和 3/2 轉(zhuǎn)換，以及一些Matlab 仿真時的參數(shù)調(diào)節(jié)方法。四 致謝非常感謝劉偉峰老師和王永忠老師兩周來的悉心教導(dǎo)， 以及班級同學(xué)幫助。在這兩周里學(xué)習(xí)