《热工过程自动调节》仿真实验指导书1111.doc

热工过程自动调节实验指导书华南理工大学电力学院二O O九年18实验一 典型环节的动态特性一、 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。二、 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。三、 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= 1 ；K2= 3 ；K3= 4 ；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= 3 ；Ti3= 6 ；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= 2 ），改变Tc取值：Tc1= 1 ；Tc2= 3 ；Tc3= 6 ；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= 3 ；TD3= 6 ；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1= 1 ；2= 2 ；3= 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= 1 ）， 令n= 1 ，取不同值：1=0；2= 0.5 ,3= 0.8 （01）；4=1；5= 4 （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）： 令=0，n取不同值：n1= 1 ；n 2= 3 ；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）： 令=0.216，n取不同值：n1= 1 ；n 2= 3 ；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）：四、 实验小结根据所做的图，可以得出响应环节的如下规律：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=Ti这样一段时间后，才能达到输入的值x0。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Tc就是输出信号最后一起始速度dcdt|t=0 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Tc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TD5：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的时间。6：典型二阶环节： 当n一定时1）阻尼比=0时是等幅振荡，01时时过阻尼振荡，输出曲线为非周期振荡曲线。2）欠阻尼系统的在0.50.8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。当=0时，即是无阻尼振荡时无阻尼自然振荡频率n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。当=0.216时在阻尼振荡（即0）中，无阻尼自然振荡频率n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0153045607590105120输出02.04.56.59.013.317.523.328.5时间135150165180195210225240255输出33.037.943.048.554.059.565.071.078.0时间270285300315330345360375390输出83.088.595.098.099.899.9100100100（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()； 100（b）y(t)t=t1=0.4y()时曲线上的点y1和相应的时间t1； 156.1765（c）y(t)t=t2=0.8y()时曲线上的点y2和相应的时间t2； 261然后利用下列近似公式算出传递函数中的有关常数： （a） 0.953984（b） 193.1373（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n123456789101214t1/t20.320.460.530.580.620.650.670.6860.700.710.7350.75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nn1（整数部分）a（小数部分），则t1/t2 = 0.598377 n= 4.459432 T0= 43.30983 （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)= 0.954/(1+43.3S)4(1+0.460*43.3S) （2）仿真曲线记录数据：时间0306090120150180210模型输出00.152.269.1120.7335.1549.8362.95误差04.356.748.397.772.75-1.33-3.45时间240270300330360390模型输出73.7481.9688.0092.1595.0096.86误差-2.741.0477.6553.14四、实验小结实验三 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（、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c和临界振荡周期Tc。然后根据c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，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c和临界振荡周期Tc。（3）根据临界比例带c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：2c ；（ii） PI调节器：2.2c，Ti0.85Tc ；（iii） PID调节器：1.67c，Ti0.5Tc ；Td0.25Ti 。所列的计算公式是按衰减率=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、飞升速度、迟延时间和时间常数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=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（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：= PI调节器：= Ti = PID调节器：= Ti = Td = 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：（2）改变PID调节器参数进行仿真（i）保持Ti 、Td不变，改变 ：仿真曲线（至少三条）：（ii）保持、Td不变，改变Ti ：仿真曲线（至少三条）：（iii）保持、Ti不变，改变Td ：仿真曲线（至少三条）：四、实验小结实验四 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：， ；D、W、H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，DW0.083，H0.033；D、W分别为蒸汽流量和给水流量的分流系数，DW0.21；KZ、Ku分别为执行机构和阀门的特性系数，KZ10，Ku2。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、积分时间Ti和给水流量侧的分流系数w，可以把w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w任意选取一个数值（如：w =1），然后通过试验来改变和Ti的值，一般取Ti为5-10秒，再调整值直到满意为止，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/w的比值，整定时w只是一个任意选取的值，在整定外回路时w是一个唯一的整定参数，一旦w有了确定的数值后，也要随之改变，以保证/w比值不变（即：内回路特性不因为w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）。求得和的数值，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，D=W，则有D=W因此，为了克服静态偏差，蒸汽流量侧分流器的分流系数D必须等于给水流量侧分流器的分流系数W。三、实验结果1、内回路：（1）整定得：Ti /w= （2）仿真曲线：（3）性能指标：2、外回路：（1）整定得： w = = D = （2）仿真曲线：（3）性能指标： 四、实验小结实验五 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（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；1和2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