《热工过程自动调节》仿真实验指导书1

《热工过程自动调节》 实验指导 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 华南理工大学电力学院 二O O九年十月 目录 3Simulink仿真集成环境简介 3一、Simulink基本操作 31．进入Simulink操作环境 52．提取所需仿真模块 93．功能模块的连接 94．功能模块参数设置 105．仿真系统操作参数设置 12实验一 典型环节的动态特性 12一、 实验目的 12二、 实验 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 12三、 实验结果 14四、 实验小结 15实验二 热工对象数学模型的试验求取 15一、实验目的 15二、实验内容 16三、实验结果 16四、实验小结 17实验三 单回路自动调节系统的整定 17一、实验目的 17二、实验内容 18三、实验结果 19四、实验小结 20实验四 三冲量双回路汽包给水调节系统的整定 20一、实验目的 20二、实验内容 22三、实验结果 23四、实验小结 24实验五 过热汽温调节系统的整定 24一、实验目的 24二、实验内容 26三、实验结果 26四、实验小结 Simulink仿真集成环境简介 Simulink是可视化动态系统仿真环境。1990年正式由Mathworks公司引入到MATLAB中，它是Slmutation和Link的结合。目前介绍Simulink的资料有很多，这里主要介绍它的基本使用方法和它在控制系统仿真 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 操作的有关内容。 一、Simulink基本操作 1．进入Simulink操作环境 双击桌面上的MATLAB图标，启动MATLAB，进入开发环境，如图0-1所示。 图0-1 MATLAB开发环境 图0-2 Simulink图形库浏览器画面 从MATLAB的桌面操作环境画面进入Simulink操作环境有多种方法，介绍如下。 ①点击工具栏的Simulink图标弹出如图0-2的图形库浏览器画面。 ②在命令窗口键入“simulink”命令，可自动弹出图形库浏览器。 上述两种方法需从该画面“File”下拉式菜单中选择“New | Model”，或点击图标,得到图0-3的图形仿真操作画面。 图0-3 Simulink仿真操作环境画面 ③从“File”下拉式菜单中选择“New | Model”，弹出如图0—3所示的未命名的图形仿真画面。本方法需从工具栏中点击图形库浏览器图标，调出图0—2的图形库浏览器画面。图0-3用于仿真操作，图0—2的图形库用于提取仿真所需功能模块。 图0—4是已建立的一个一阶惯性加时滞对象的单回路控制系统仿真框图。下面将对建立这样的仿真系统用到的一些具体操作作个介绍。 图0-4 仿真系统框图 2．提取所需仿真模块 在提取所需仿真模块前，应绘制仿真系统框图，并确定仿真所用的参数。 图0—2中的仿真用图形库，提供了所需的基本功能模块，能满足系统仿真的需要。该图形库有多种图形子库，用于配合有关的工具箱。下面将对本书中的实验可能用到的Simulink图形库中的功能模块作一个简单介绍。 （1）信号源模块组(Sources) 信号源模块组包括各种各样的常用输入信号，如图0-5所示。 图0-5 信号源模块组 ·输入端口模块(In)——用来反映整个系统的输入端子，这样的设置在模型线性化与命令行仿真时是必需的。 ·普通信号源发生器(Signal Generator)——能够生成若干种常用信号，如方波信号、正弦波信号、锯齿波信号等，允许用户自由地调整其幅值、相位及其它信号。 ·读文件模块(From File)和读工作空间模块(From Workspace)——两个模块允许从文件或MATLAB工作空间中读取信号作为输入信号。 ·时间信号模块(Clock)——生成当前仿真时钟，在与时间有关的指标求取中是很有意义的，例如获取系统的ITAE准则等。(积分时间和绝对误差积分准则，Integrated Time and Absolute Error - ITAE。按此准则设计的控制系统，瞬态响应的振荡性小，且对参数具有良好的选择性。缺点是用分析法计算很困难。) ·常数输入模块(Constant)——此模块以常数作为输入，可以在很多模型中使用该模块。 ·其他类型的输入信号，如阶跃输入(Step)、斜坡输入(Ramp)、脉冲信号(Pulse Genetator)、正弦信号(Sine Wave)等。 （2）连续模块组(Continuous) 连续模块组包括常用的连续模块，如图0-6所示。 图0-6连续模块组 ·积分器(Integrator)——连续动态系统最常用的元件，这模块将输入端信号经过数值积分，在输出端直接反映出来。在将常微分方程转换为图形表示时也必须使用此模块。 ·数值微分器(Derivative)——该模块的作用是将其输入端的信号经过一阶数值微分，在输出端输出。在实际应用中应该尽量避免使用该模块。 ·传递函数(Transfer Fun)——传递函数是常用的描述线性微分方程的一种方法，通过引入Laplace变换可以将原来的线性微分方程在零初始条件下变换成“代数”的形式，从而以多项式的比值形式描述系统，传递函数的一般形式为 ·零极点(Pole-Zero)——将传递函数模型的分子和分母分别进行因式分解，则可以将其变换成 其中K称为系统的增益，-zi，(i＝1，…，m)称为系统的零点，而-pi，(i＝1，…，n)称为系统的极点。 ·时间延迟(Transport Delay或Variable Transport Delay)——用于将输入信号延迟指定的时间后传输给输出信号。两个模块的区别在于：前者在模块内部参数中设置延迟时间，而后者将采用输入信号来定义延迟时间。 （3）数学函数模块组(Math Operations) 数学函数模块组包含有各种各样的数学函数运算模块，如图0—7所示。 图0-7 数学函数模块组 ·增益函数(Gain)——输出信号等于输入信号乘以增益模块中指定的数值。更一般地，还有对矩阵进行乘法的矩阵增益模块(Matrix Gain)。 ·求和模块(Sum)——将输入的多路信号进行求和或求差，计算出输出信号。在组建反馈控制系统框图时必须采用该模块。 ·一般数学函数，如绝对值函数(Abs)、符号函数(Sign)、三角函数(Trigonometric Function)、取整模块(Rounding Function)等。 （4）输出池模块组（Sinks） 输出池模块组包含那些能显示计算结果的模块，如图0—8所示。 图0-8 输出池模块组 ·输出端口模块(Out)——用来反映整个系统的输出端子，这样的设置在模型线性化与命令行仿真时是必需的，另外，系统直接仿真时这样的输出将自动在MATLAB工作空间中生成变量。 ·示波器模块(Scope)——将输入信号在示波器中显示出来。 ·x-y示波器(x-y Graph)——将两路输入信号分别作为示波器的两个坐标轴，将信号的相轨迹显示出来。 ·工作空间写入模块(To Workspace) ——将输入信号直接写到MATLAB的工作空间中。 ·写文件模块(To File)——将输入的信号写到文件中。 ·数字显示模块(Display)——将输入信号以数字的形式显示出来。 ·仿真终止模块(Stop Simulation)——如果输入的信号为非零时，将强行终止正在进行 的仿真过程。 ·信号终结模块(Terminator)——可以将该模块连接到闲置的未连接的模块输出信号上，避免出现警告。 （5）信号与系统模块组(Signal Routing) 信号与系统模块组包含的模块如图0—9所示。 图0-9 信号与系统模块组 ·混路器(Mux)和分路器(Demux)——混路器将多路信号依照向量的形式混合成一路信号。例如，可以将要观测的多路信号合并成一路，连接到示波器上显示，这样就可以将这些信号同时显示出来。分路器是将混路器组成的信号依照原来的构成方法解成多路信号。 这里未作介绍的图形子库及其余模块的功能请查阅其它相关参考资料。 提取所需仿真模块，组成仿真系统的使用方法是从图0-2中用鼠标点击打开所需子图形库，用鼠标选中所需功能模块，将其拖曳到图0-3中的空白位置，重复上述拖曳过程，直到将所需的全部功能模块拖曳到图0-3中。拖曳时应注意下列事项： ①根据仿真系统框图，选择合适的功能模块进行拖曳； ②根据仿真系统框图，将有关的功能模块拖曳到合适的位置，以便于下一步的连接； ③对仿真系统中重复的功能模块，可以采用复制(Ctrl＋C)和粘贴(Ctrl＋V)操作，也可多次拖曳相同的功能模块到图0-3中； ④功能模块和图0-3的大小可以用鼠标移动到图标或图边，在出现双向箭头后进行放大或缩小的操作； ⑤选中功能模块的方法是，直接点击功能模块，用鼠标选定所需功能模块区域来选中区域内的所有功能模块和连接线，点击选中，并按下“Shift’键，再点击其他功能模块等； ⑥功能模块的复制、剪切和粘贴操作的方法与Windows的相应操作方法相同。 3．功能模块的连接 根据仿真系统框图，用鼠标点击并移动所需功能模块到合适的位置，将鼠标移到有关功能模块的输出端(有一个向外的箭头)，选中该输出端并移动鼠标到另—个功能模块的输入端(有—个向内的箭头)，移动时出现虚线．到达所需输入端时，释放鼠标左键，相应的连接线出现，表示该连接已完成。重复上述连接过程，直到完成全部连接，组成仿真系统。 连接时，应注意下列几点： ①从功能模块输出端连接到另一功能模块的输入端，也可从一个功能模块输入端反向连接到另一个功能模块的输出端； ②一个输出端连接多个输入端时，可采用从—个功能模块输入端连接到另一个功能模块输出端的方法，或直接与该功能模块输出端的引出线连接。在连接时，可在连接线交点处按下“Shift”键，再释放鼠标左键； ③移动连接线位置的方法是，选中连接线，在连接线的各转角处出现小方块，鼠标选中所需方块，拖动到合适位置后释放鼠标左键； ④增加连接线转折点的方法是，选中连接线，鼠标移到所需增加转折点处，按下“Shift”键，点击鼠标左键，移动转折点到所需位置； ⑤连接线的复制、粘贴和剪切等操作方法与Windows对应的操作方法相同； 4．功能模块参数设置 使用者需设置功能模块参数后，方可进行仿真操作。不同功能模块的参数是不相同的，用鼠标双击该功能模块自动弹出相应的参数设置对话框。 图0-10 传递函数模型参数设置对话框 例如，图0-10是传递函数模型功能模块的对话框。功能模块对话框由功能模块说明和参数设置框组成。功能模块说明框用于说明该功能模块使用方法和功能；参数框用于设置该功能模块的参数。例如传递函数参数框由分子和分母多项式两个编辑框组成，在分子多项式框中，用户可输入系统模型的分子多项式，在分母多项式框中，输入系统模型的分母多项式等。设置功能模块的参数后，点击OK软键进行确认，将设置参数送仿真操作画面，并关闭对话框。 5．仿真系统操作参数设置 在仿真操作前，应设置仿真操作的参数。包括仿真器参数和示波器参数的设置。 (1) 仿真器参数设置 点击图0-3操作画面“Simulation”下拉式菜单“Simulation Parameters…”选项，弹出如图0-11所示的仿真参数设置画面。共有解算器(Solver)、工作空间输人输出(Workspace I/O)、诊断(Diagnostics)、高级属性(Advanced)和实时工作室(Real-Time Workshop)等5个页面。 图0—11 仿真器参数设置对话框 解算器页面用于设置仿真开始和终止时间，解算器类型(定步长和变步长两类)和具体的解算算法、最大最小步长和初始步长、容许误差(相对和绝对误差)、输出方式和精细因子设置等。通常，仿真操作时可根据仿真曲线设置终止时间和最大步长，以便得到较光滑的输出曲线。 工作空间输入输出页面用于将仿真操作窗口的仿真结果送(写)到MATLAB工作空间，或将数据从工作空间读到仿真操作窗口。诊断页面用于对仿真中出现的异常情况进行诊断。高级属性页面用于模型参数的在线组态和优化操作。实时工作室页面用于设置系统目标文件、暂存构成文件和构成命令，建立目录等。 (2) 示波器参数设置 当采用示波器显示仿真曲线时，需对示波器参数进行设置。示波器有单踪和双踪示波器两种。单踪示被器指显示输入信号(可以有多个输入信号)与时间关系的设备，双踪示波器指显示两个输入信号之间关系的设备。 ● 单踪示波器参数设置操作 点击图0—3中已存在的示波器，弹出如图0—12所示的单踪示波器显示画面，点击画面的图标，弹出如图0-13所示的示波器属性对话框，分2个页面。用于设置显示坐标窗口数、显示时间范围、标记和显示频率或采样时间等。时间范围应与仿真器终止时间一致，以便最大限度显示仿真操作数据。鼠标右键点击示波器显示窗口，从弹出菜单选择“Autoscale”，或直接点击图标，可在响应曲线显示后自动调整纵坐标范围；从弹出的菜单选择“Save current axes settings”，或直接点击图标，将当前坐标轴范围的设置数据存储。此外，还有打印和对X、Y或同时放大或恢复等操作。 ● 双踪示波器参数设置操作 双踪示波器的参数即该功能模块的参数，有X和Y坐标的范围和采样时间设置。 图0—12 单踪示波器显示画面 图0-13 单踪示波器属性对话框 实验一 典型环节的动态特性 1、 实验目的 1． 通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的响应曲线，熟悉它们的动态特性。 2． 了解各典型环节中参数变化对其动态特性的影响。 2、 实验内容 分别改变几个典型环节 （1） 比例环节（K） （2） 积分环节（ ） （3） 一阶惯性环节（ ） （4） 实际微分环节（ ） （5） 纯迟延环节（ ） （6） 典型二阶环节（ ） 的相关参数，观察它们的单位阶跃响应曲线变化情况（曲线条数≥2），并得出规律。 同时显示三条响应曲线时的仿真框图可采用如下的形式，其中传递函数的形式根据不同环节进行设置。 3、 实验结果 （1）比例环节 G(S)= K 所选的几个不同参数值分别为K1= 0.1 ；K2= 0.5 ；K3= 1 ； 对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）： （2）积分环节 G(S)= 所选的几个不同参数值分别为Ti1= 1 ；Ti2= 5 ；Ti3= 10 ； 对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）： （3）一阶惯性环节 G(S)= 令K不变（取K= 1 ），改变Tc取值：Tc1= 1 ；Tc2= 3 ；Tc3= 5 ； 对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）： （4）实际微分环节 G(S)= 令KD不变（取KD= 2 ），改变TD取值：TD1= 1 ；TD2= 2 ；TD3= 5 ； 对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）： （5）纯迟延环节 G(S)= 所选的几个不同参数值分别为τ1= 1 ；τ2= 2 ；τ3= 3 ； 对应的单位阶跃响应曲线： （6）典型二阶环节 G(S)= 令K不变（取K= 2 ）， ① 令ωn= 2 ，ξ取不同值：ξ1=0；ξ2= 0.5 ,ξ3= 0.7 （0<ξ<1）；ξ4=1；ξ5= 2 （ξ≥1）； 对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）： 1-黄 2-紫 3-青 4-红 5-绿 ② 令ξ=0，ωn取不同值：ωn1= 1 ；ωn 2= 2 ； 对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）： ③ 令ξ=0.216，ωn取不同值：ωn1= 1 ；ωn 2= 2 ； 对应的单位阶跃响应曲线（在输出曲线上标明对应的有关参数值）： 4、 实验小结 初步认识了matlab而且对各种图像有了认识 1：纯比例环节（P）使得信号无迟延、无惯性、按一定的比例复现熟人信号的变化。 2：积分环节（I）对应的阶跃响应曲线是一条从原点出发的斜率为的直线，积分输出随着时间的推移不断增加，但是输出必须要经过t=这样一段时间后，才能达到输入的值。 3：一阶惯性环节 1）当静态放大系数K不变时，其输出的响应曲线是有最终可以达到平衡的曲线，惯性时间就是输出信号最后一起始速度 变化到最后平衡所需要的时间。 2）响应曲线没有周期性起伏，所以一阶惯性环节是非周期性环节。且惯性时间越大，环节的惯性越大。 4：实际微分环节 1）输出信号与输入信号成比例地跃变，变化量为输入信号阶跃幅值的KD倍，随后按指数函数曲线规律递衰减，最后恢复至零（初始平衡值）。 2）输出函数的复原速度是，即复原时间为TD 5：纯迟延环节输出信号和输入信号完全相同，只是在时间上只是落后输入函数τ的时间。 6：典型二阶环节： 1 当一定时 1）阻尼比ξ=0时是等幅振荡，0<ξ<1时是欠阻尼振荡，输出曲线做衰减振荡；ξ4=1时是 临界阻尼振荡，输出曲线为非周期曲线；ξ>1时时过阻尼振荡，输出曲线为非周期振荡曲线。 2）欠阻尼系统的ξ在0.5~0.8之间时，响应曲线比临界阻尼活过阻尼情况下的响应曲线更快达到稳态值。在非周期系统ξ≥1中，临界阻尼系统的响应速度最快，过阻尼系统对输入的响应比较缓慢。 ②当ξ=0时，即是无阻尼振荡时 无阻尼自然振荡频率反应了振荡的频率，其值越大，单位时间内振荡的次数越多，振幅越小。 ③当ξ=0.216时 在阻尼振荡（即ξ≠0）中，无阻尼自然振荡频率越大，输出响应达到平衡所需时间越长，振幅越大。 实验二 热工对象数学模型的试验求取 一、实验目的 根据已知的调节对象的单位阶跃响应曲线试验数据，学会使用两点法求取调节对象传递函数的方法。 二、实验内容 输入信号x(t)为阶跃函数（x(t)＝100）时，测得对象的阶跃响应曲线试验数据如下表，用两点法求取其传递函数，并通过计算机仿真来验证所求得的传递函数的正确性。 时间 0 15 30 45 60 75 90 105 120 输出 0 2.0 4.5 6.5 9.0 13.3 17.5 23.3 28.5 时间 135 150 165 180 195 210 225 240 255 输出 33.0 37.9 43.0 48.5 54.0 59.5 65.0 71.0 78.0 时间 270 285 300 315 330 345 360 375 390 输出 83.0 88.5 95.0 98.0 99.8 99.9 100 100 100 （1）两点法： 设对象有自平衡能力，其传递函数的形式可用下式表示： 式中有三个常数k、T0和n需从阶跃响应曲线上定出。 在阶跃响应曲线上取以下三个数据： （a）y(t)的最后平衡值y(∞)； （b）y(t)t=t1=0.4y(∞)时曲线上的点y1和相应的时间t1； （c）y(t)t=t2=0.8y(∞)时曲线上的点y2和相应的时间t2； 然后利用下列近似公式算出传递函数中的有关常数： （a） （b） （c）计算出比值t1/t2，利用下表查出n值。 多容惯性对象的n数与t1/t2值的关系 n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 t1/t2 0.32 0.46 0.53 0.58 0.62 0.65 0.67 0.686 0.70 0.71 0.735 0.75 根据t1/t2对照上表查出的值n值很可能不是一个整数，可用以下方法使传递函数的形式略加改变： 当n不是整数时，令n＝n1（整数部分）＋a（小数部分），则 （2）仿真框图 框图中模块的参数根据求得的传递函数进行设定。 三、实验结果 （1） 两点法求得对象的传递函数为 G(S)= QUOTE （2）仿真曲线 记录数据： 时间 0 30 60 90 120 150 180 210 模型输出 0 1.3 5.5 13.5 26.5 40 50 60.5 误差 0 71.1 38.8 22.3 7.0 5.5 0.33 1.7 时间 240 270 300 330 360 390 模型输出 61.5 80.5 88.0 92.4 96.3 98.9 误差 2.8 3.0 7.4 7. 4 3.7 1.1 四、实验小结 根据所画的图和数据记录，虽然仿真的数据和实际的数据存在误差，但是除了特别的几个数据之外（第二个、第三个、第四个），其余的数据都在误差允许的范围内。因此采用两点法来求取相关参数是可行的。 实验三 单回路自动调节系统的整定 一、实验目的 a) 熟悉单回路调节系统的整定方法； b) 了解调节器参数对调节过程的影响。 二、实验内容 对下列调节系统进行仿真，先根据调节对象估算出调节器各参数（δ、Ti、Td）的值，再观察各参数值的变化对调节过程的影响。 调节对象的参数可自行选取，例如可选T0=10，n= 4或5。 进行仿真实验，当需要显示多条仿真曲线时可采用如下所示的仿真框图： 其中，PID模块可以从Simulink Extras |Additional Linear图形子库中提取。该模块传递函数 或者我们自己可以构建这个功能模块，如下所示： 单回路调节系统的整定方法主要有临界比例带法、图表整定法和衰减曲线法等，下面介绍其中两种，可任选其中一种方法进行实验。 1．临界比例带法 临界比例带法是在纯比例作用下将系统投入闭环运行，不断改变比例带δ的数值使调节系统产生等幅振荡，并记录对应的临界比例带δc和临界振荡周期Tc。然后根据δc和Tc得到系统所希望的衰减率时的其它整定参数。具体整定步骤如下： （1）设置调节器整定参数Ti→∞，Td=0，δ置于较大的数值后，将系统投入闭环运行。 （2）系统运行稳定后，适量减小比例带的数值并施加阶跃扰动，观察被调量的变化，直到出现等幅振荡为止。记录此时的临界比例带δc和临界振荡周期Tc。 （3）根据临界比例带δc和临界振荡周期Tc，调节器中的整定参数可按下式计算： （i） P调节器：δ＝2δc ； （ii） PI调节器：δ＝2.2δc，Ti＝0.85Tc ； （iii） PID调节器：δ＝1.67δc，Ti＝0.5Tc ；Td＝0.25Ti 。 所列的计算公式是按衰减率ψ=0.75时为依据的。根据调节系统采用不同的调节器类型，选用不同的计算公式，求出整定参数。 （4）将计算出的各整定参数值设置到调节器中，对系统作阶跃扰动试验，观察被调量的阶跃响应，适当修改各整定参数，直到满意为止。 2．图表整定法 图表整定法是通过被调对象阶跃响应曲线的特征参数，经查图表求取调节器各整定参数的。它适用于典型的多容热工被调对象，图表见附表1和附表2。 采用图表整定法首先对被调对象作阶跃扰动试验，记录阶跃响应曲线，求取阶跃响应曲线上的特征参数：自平衡率ρ、飞升速度ε、迟延时间τ和时间常数Tc,然后通过附表1或附表2的计算公式计算调节器的各整定参数。表中的计算公式是依据衰减率ψ=0.75制定的，若需要得到其它衰减率数值，计算公式要进行修正。表中的计算公式适用于阶数较高的被调对象，对于一阶和二阶的被调对象，计算得到整定参数投入运行后将具有较大的衰减率（ψ＞0.75）。 三、实验结果 调节对象的传递函数G(S)= （1）根据整定法求得 P调节器：δ=0.5 PI调节器：δ=0.55 Ti =54.91 PID调节器：δ= 0.418 Ti = 32.3 Td = 8.075 利用计算得到的调节器参数进行仿真 仿真曲线（P、PI、PID对应的三条曲线）： 性能指标： P调节器：衰减率 ψ=（M1-M3）/M1=(0.99-0.76)/（0.99-0.67）=0.718 超调量 Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=(0.99-0.67)/0.67=0.478 动态偏差Emax=0.99-1=-0.01 静态偏差E∝=0.67-1=-0.33 峰值时间tp=65s, 调节时间ts=257s PI调节器：衰减率 ψ=（M1-M3）/M1=(1.261-1.084)/（1.26-1）=0.677 超调量 Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=(1.261-1)/1=0.261 动态偏差Emax=1.261-1=-0.261 静态偏差E∝=1-1=0 峰值时间tp=82s, 调节时间ts=285s PID调节器：衰减率 ψ=（M1-M3）/M1=(1.352-1.072)/（1.352-1）=0.795 超调量 Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=(1.352-1)/1=0.352 动态偏差Emax=1.352-1=0.352 静态偏差E∝=1-1=0 峰值时间tp=79s, 调节时间ts=210s （2）改变PID调节器参数进行仿真 （i）保持Ti 、Td不变，改变δ ： 仿真曲线（至少三条）： 1/δ=2, 1/ δ=2.4, 1/δ=4 （ii）保持δ、Td不变，改变Ti ： 仿真曲线（至少三条）： 1/Ti1=2; 1/Ti2=2.4; 1/Ti3=4 （iii）保持δ、Ti不变，改变Td ： 仿真曲线（至少三条）： Td1=5, Td2=12.125, Td3=25 四、实验小结 P调节器： 从调节过程中可知，δ增大，会使衰减加快，振荡减弱，但是静态偏差会加大，调节作用变小。所以，应在保证系统的稳定下选择适当的衰减率。 PI调节器：从调节中可以发现，无论怎么调节，系统的静态偏差都为0。当积分时间减小，消除静态偏差的能力就越强，积分时间变大，会使振荡加剧，衰减率下降。 PID调节器：通过微调，可以改变动态品质，使衰减率增加。 从这次试验，我对P、PI、PID调节器的特性有了更加的理解。这也解决了我在自动调节学习中的很多疑点，以后要更加深入的学习此软件。 实验四 三冲量双回路汽包给水调节系统的整定 一、实验目的 1． 学会复杂系统的分析整定； 2． 熟悉汽包给水自动调节系统整定的步骤； 3． 了解PI调节器参数及分流系数对调节过程的影响。 二、实验内容 汽包给水三冲量自动调节系统方框图，如下所示。 图中，H、D、W分别为汽包水位、蒸汽流量和给水流量；Go1(s)、Go2(s)分别为给水流量和蒸汽流量对汽包水位的传递函数： ， ； γD、γW、γH分别为蒸汽流量D、给水流量W和汽包水位H测量变送器的传递系数，γD＝γW＝0.083，γH＝0.033；αD、αW分别为蒸汽流量和给水流量的分流系数，αD＝αW＝0.21；KZ、Ku分别为执行机构和阀门的特性系数，KZ＝10，Ku＝2。 要求分别对三冲量汽包给水自动调节系统的内外回路进行整定，并进行计算机仿真。 系统中存在内、外两个闭合回路。内回路是由给水流量信号W局部反馈构成，外回路是由汽包水位信号H反馈到系统调节器输入端构成的。蒸汽流量信号D只是引入的前馈信号，在系统中该信号并没有形成闭合回路，前馈调节不会影响系统的稳定性，在整定调节系统时，只需要对两个闭合回路进行稳定性的分析。 整定的具体步骤如下： 1．内回路的整定 内回路方框图如下所示。 内回路系统的闭环传递函数为 在内回路中有三个可以改变的参数：比例带δ、积分时间Ti和给水流量侧的分流系数αw，可以把αw归纳到调节器中构成一个等效调节器，等效调节器的传递函数为 等效调节器的等效比例带为 在整定内回路时，先对αw任意选取一个数值（如：αw =1），然后通过试验来改变δ和Ti的值，一般取Ti为5-10秒，再调整δ值直到满意为止，即把内回路整定为一个能迅速消除自发性内部扰动的快速随动系统。整定得到的结果是Ti数值和δ/αw的比值，整定时αw只是一个任意选取的值，在整定外回路时αw是一个唯一的整定参数，一旦αw有了确定的数值后，δ也要随之改变，以保证δ/αw比值不变（即：内回路特性不因为αw的改变而改变）。 2．外回路的整定 调节器参数可以设置得较小，使内回路成为快速随动系统，即： 或 。去除不影响调节系统稳定性的前馈信号通道，可得到外回路系统方框图，如下所示。 外回路已可以看作是一个单回路调节系统，可采用整定单回路调节系统的方法来整定外回路。内回路在外回路中相当于处在调节器的位置，因此，外回路调节器的传递函数为： 外回路的调节器实际上是一个比例调节器,它的等效比例带为 因为 是一个确定的常数，所以外回路的稳定性及其它性能完全由 来决定。 整定外回路时，可采用工程整定法来整定参数，得到 值。如果利用图表法整定，首先通过试验获得广义被调对象的阶跃响应曲线（广义被调对象的输入信号为给水流量W，输出信号是水位侧差压变送器的输出值）。求得ε和τ的数值，查图表求取整定参数。 可求出 根据外回路整定得到的 值，可求出调节系统比例积分调节器中的比例带δ值。 3．蒸汽流量侧 的选择 要使静态偏差为零，静态时必须满足ID=IW，即： 在正常运行时，可认为D=W，γD=γW，则有 αD=αW 因此，为了克服静态偏差，蒸汽流量侧分流器的分流系数αD必须等于给水流量侧分流器的分流系数αW。 三、实验结果 1、内回路： （1）整定得：Ti＝ 6 δ/αw=0.15 （2）仿真曲线： 2、外回路： （1）整定得： αw = 0.3 δ = 20 αD = 0.3 （2）仿真曲线： （3）性能指标： 衰减率 ψ=（M1-M3）/M1=(37-31)/（37-30）=0.857 超调量 Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=(37-31)/30=0.2 动态偏差Emax=37-1=36 静态偏差E∝=30-1=29 峰值时间tp=83s, 调节时间ts=215s 四、实验小结 从试验过程中，多次调节参数δ、αw、T，其数值的变动不影响系统的稳定性，只影响速度，在保证系统的稳定时，内回路越快越好。D的调节起前馈的作用，动态偏差小，就是防止虚假水位。而W的调节时的衰减率大，用于克服内扰，实现粗调。 从这次试验我更加了解到这软件对电厂自动调节的重要性，要好好学习，努力掌握此软件的操作技术，为以后的工作打下好的基础。 实验五 过热汽温调节系统的整定 一、实验目的 了解过热汽温调节系统整定的步骤和调节器参数对调节过程的影响。 二、实验内容 已知：被调对象导前区传递函数 ，被调对象惰性区传递函数 ，电动执行器和减温水调节阀的传递系数已包含在被调对象的放大系数中，主汽温和导前汽温变送器系数 。 要求： （1）求出串级调节系统中主副调节器参数的整定值（ψ＝0.75）； （2）进行计算机仿真，在仿真过程中根据要求进一步修改调节器参数的整定值。 串级汽温调节系统系统方框图如下所示： 串级汽温调节系统方框图 图中，Go1(S) 和Go2(S)分别为惰性区和导前区对象传递函数；Ga1(S)和Ga2(S)分别为主调节器和副调节器的传递函数；γθ1和γθ2分别为主汽温和导前汽温变送器系数；Kz为执行机构传递系数，Ku为喷水调门传递系数； Wj1为调节作用引起的减温水量变化，Wj2为扰动作用下减温水量，Wj为总减温水量。 一般，汽温对象导前区的迟延和惯性比惰性区要小，而且副调节器又选用P或PD规律，在这种情况下，内回路的调节过程要比外回路的调节过程快得多。内回路动作时，外回路可以视为开路状态；当外回路动作时，内回路可视为快速随动系统。则串级汽温调节系统可以采取内、外回路分别整定的方法进行整定。 （1）内回路的整定 设副调节器选用比例调节规律： 若以减温水量内扰Wj2为内回路输入信号，以导前汽温θ2为其输出信号，则内回路传递函数为 此时可将除Go2(S)以外的部分视为等效调节器，则等效副调节器为 可见等效副调节器仍为比例性质，等效比例带为 。当已知导前区对象传递函数Go2(S)后，便可根据单回路系统整定原则对内回路进行整定计算。 另外，由系统方框图可写出内回路的闭环特征方程式为： 内回路被调对象Go2(S)为一般为二阶（或一阶）对象，且调节器Ga2(S)一般采用比例规律，所以内回路闭环系统仍为二阶系统，可用二阶系统的有关分析方法整定。设内回路的整定要求为衰减率ψ=0.75，相应的阻尼比ξ=0.216，通过计算可求出副调节器比例带δ2的数值。 （2）外回路的整定 当内回路整定好后，可把它看作一个快速随动系统，在外回路中可等效为一个比例环节 ，这样外回路等效为一个单回路系统。 如果将主调节器Ga1(S)以外均视为被调对象，则等效被调对象的传递函数为： 等效被调对象的特性主要取决于汽温对象惰性区传递函数Go1(S)。Go1(S)确定后，便可根据单回路整定方法来整定外回路。例如，可根据 的参数，利用图表整定法，查附表可求出主调节器的比例带和积分时间的值。 三、实验结果 1．通过分析计算求得ψ＝0.75时， （1）副调节器参数：δ2 =0.0368 （2）主调节器参数：δ1 =0.658；Ti=73.9 2．计算机仿真 （1）内回路 仿真曲线： 性能指标： 衰减率 ψ=（M1-M3）/M1=(0.52-0.394)/(0.52-0.35)=0.741 超调量 Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=(0.52-0.35)/0.35=0.486 动态偏差Emax=0.52-1=-0.48 静态偏差E∝=0.35-1=-0.65 峰值时间tp=13s, 调节时间ts=77s （2）外回路 仿真曲线： 性能指标： 衰减率 ψ=（M1-M3）/M1=(13.24-10.88)/(13.24-10)=0.728 超调量 Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=(13.24-10)/10=0.324 动态偏差Emax=13.24-1=12.24 静态偏差E∝=10-1=9 峰值时间tp=91.7s, 调节时间ts=380s （3）整个系统 仿真曲线： 性能指标： 衰减率 ψ=（M1-M3）/M1=(13.68-11.1)/(13.68-10)=0.701 超调量 Mp=（Ymax-Y∝）/Y∝=(13.68-10)/10=0.368 动态偏差Emax=13.68-1=12.68 静态偏差E∝=10-1=9 峰值时间tp=88s, 调节时间ts=380s 四、实验小结 实验中，内回路的调节过程元快于外回路的调节过程，所以此种整定方式有效。当周期相差不大时，这种方法引起的误差比较大。 系统内回路设置有P或PD调节时为了达到快速随动的特性，而外回路为了达到误差调节，还要使得动态特性较好，故多使用PI调节器。相关参数有比例带δ和积分时间Ti，它们对调节过程的影响如下： （1） 比例带δ影响： 对衰减率的影响：对于二阶及二阶以上的被调对象用比例调节器调节过程会产生振荡，而且δ越小，比例调节作用越强，振荡越剧烈，衰减率Ψ越小（即发散作用越强）。 对静态偏差的影响：在扰动作用下，调节结束后，存在静态偏差。对于无自平衡能力的对象，δ越小，静态偏差越小。 对动态偏差的影响：在反馈系统中，调节作用是起抵消作用的，而且调节作用越强，动态偏差越小，即比例带δ越小，调节作用越强，动态偏差越小 （2） 积分时间的Ti的影响： 对静态偏差的影响：当有积分作用存在时，无论被调对象有没有自平衡能力，调节过程结束后，器静态偏差都为零。积分时间越小，积分作用越强，比例积分非周期成分衰减的速度越快，消除静态偏差的能力越强；当积分时间无限大时，PI调节器就变成P调节器，无差调节就变成有差调节了。 对衰减率的影响：积分调节会带给调节系统不稳定的因素，随着积分作用增强，会促使系统振荡加剧，甚至产生不稳定的调节过程。PI调节比P调节的衰减率要小，如果要保持原来的衰减率，必须将比例带的数值适当提高。 对动态偏差的影响：减小积分时间会使积分作用增强，会抵消扰动作用对被调量的影响，在调节过程中动态偏差将减小。但是动态偏差的变化主要取决于比例带δ，因为PI调节器的积分作用相对于被调量的变化时比较滞缓的。 ―29― _1205692067.unknown _1208020739.unknown _1208065838.unknown _1208082030.vsd PI� Kz� Ku� �w� -� W� ��w� Iw� ��I� -� _1208107443.unknown _1208107564.unknown _1208082785.vsd Go1(S)� �H� IH0� +� -� W� H� � _1208065934.unknown _1208066257.unknown _1208081688.vsd ��w� IH� Iw� �D� ��D� PI� Kz� Go1(S)� Go2(S)� H� Ku� �w� �H� IH0� +� +� -� -� ID� D� W� _1208066181.unknown _1208065897.unknown _1208029646.vsd Ga2(S)� Kz� Go2(S)� Go1(S)� Ga1(S)� � Ku� � � � ��2� ��1� � I0� +� +� +� +� -� -� I1� Wj1� Wj2� �1� �2� Wj� I�1� I�2� _1208065821.unknown _1208031841.unknown _1208024871.unknown _1207987185.unknown _1207987558.unknown _1208020639.unknown _1207987232.unknown _1207987327.unknown _1205743119.unknown _1207987170.unknown _1205700162.unknown _1205700408.unknown _1205695459.vsd � +� -� X(S)� Y(S)� PID� _1021528333.unknown _1205691036.unknown _1205691096.unknown _1021528389.unknown _1205689987.unknown _1021528361.unknown _1018418349.unknown _1018418597.unknown _1018418698.unknown _1021528164.unknown _1018418611.unknown _1018418565.unknown _1015870049.unknown _1016177146.unknown _1016177235.unknown _1015870233.unknown _1015868977.unknown _1015869189.unknown _1015868807.unknown