控制系统仿真课程设计

1、欢，1唸训拓犬学控制系统仿真课程设计（2010 级）题 目控制系统仿真课程设计学 院自动化专 业自动化学生姓名指导教师王永忠/刘伟峰2013年7月完成日期控制系统仿真课程设计（一）锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真1.1设计目的本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级 控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系， 掌握过程控制系统参数整定的方法。1.2设计原理锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的 范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果， 使蒸

2、汽带水过多，若用此蒸汽推动 汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏 叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成 干锅，甚至爆炸。常见的锅炉汽水系统如图1-1所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下 汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。 影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位 控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能 够达到稳定状态。图1-1锅炉汽水系统图在给水流量及蒸汽负荷发生变化时， 锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分 别对应的传递函数

3、如下所示：（1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性汽包和给水可以看做单容无自衡对象， 当给水增加时，一方面会使得汽包水 位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低， 又会使得汽包中气泡 减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来 延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下， 近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为H(S)W(S)s(T,s 1)(1.1)（2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下， 当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导 致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加

4、剧，水中气泡迅速增加，将整个 水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包。虚假的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位” 水位在大中型中高压锅炉中比较显著， 会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”也与压现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比,力变化速度成正比，系统特性可以表示为G2（s）=DS 占仝(1.2)单冲常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制 量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制 系统，可以

5、克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性 特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。 为此，可将给水流量信号引入, 构成三冲量调节系统，如图1-2所示。图中LC表示水位控制器（主回路），FC表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位 控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响锅炉水位的三冲量调节系统是一种前馈-串级符合调节系统，调节系统框图 如图1-3所示，其中G3为给水系统传递函数，al、a2、a3分别为汽包液位传感 器、给水流量传感器及蒸汽流量传感器转换系数。K1 =0.037,人=30, K2

6、 - 3.6,T2 =15, K f = 0.037,G3 = 20,a图2-3. 3/2转换子系统图2-4. 2/3转换子系统KZDlabcQZ) uaCDub注意：1）图5,6中标注的三角形增益为矩阵增益，假设输入为U,增益为矩阵C, 那么，增益（Gain）环节的设置如下：2） 三项电流频率设为 2*pi*fn，相位分别设为0,-2*pi/3, 2*pi/3，大小设为Un。3）仿真参数设置。步骤5:运行simulink仿真程序。2.2设计及Matlab仿真过程动态结构图图2-5.三相异步电机动态结构图三相异步电机动态结构图图 2-6. Simulink输入参数Rs -1.851 ,=2.6

7、58,Ls0.2941H ,=0.2898H , Lm =0.2838HMatlab程序为clc;clear all ;Rs = 1.85;%Rr=2.658;Ls=0.294;Lr = 0.2898;Lm = 0.2838;J = 0.1284;%转动惯量np = 2;%磁极对数Un = 380;%线电压fn = 50;%频率sig = 1-Lm*Lm/(Ls*Lr);Tr = Lr/Rr;Rt = (Rs*Lr*Lr +Rr*Lm*Lm)/(Lr*Lr);TL = 10;C32 = sqrt(2/3)*1-1/2-1/2;0sqrt( 3)/2 -sqrt (3) /2;C23= sqrt

8、(2/3)*1 0;-1/2sqrt(3)/2;-1/2 -sqrt (3)/2;5.异步电机动态性能仿真分析。(1)在2.5s时加上负载的动态仿真结果图像1D负载转矩Te(2)051.52.536030022.533.54.630201060ffl,238Ei6负载转矩Te(5)稳定时三相电流变化局部图像(3)在2.5s时加上负载(负载为15)的仿真图像(4)三相电流变化整体图像200I!Me-iaiarrir-iee:转速wL1L5通过前四幅图， 看出空载和负载启动时， 转速在动态过程逐渐增加， 而转矩 呈现出震荡特性；经过 0.3 秒变成稳态，转速维持在一定的速度（约 320），转矩 维

9、持在 0；在 2.5s 时加上负载，此时负载转矩增加而转速略微下降，稳定时转速 稳定在305左右，而转矩稳定在15N.m。从图中可以看出空载转速略高于负载转 速，。三相电流在 0.3秒前呈现剧烈的震荡的现象，而后稳定。图中也可以看出空 载输出的三相电流幅值大于负载输出的三相电流幅值。三 实践总结经过这两个星期的短学期， 学习到了许多知识。 首先对于汽包水位的调节实 验中，学习到了什么是虚假水位， 什么是单冲量， 双冲量和三冲量调节系统以及 各自的优缺点，了解了前馈控制和串级控制的优缺点。并且对于 PID 整定的方 法也有许多了解。 对于异步电机调速仿真的实验中， 学习到了如何通过状态方程 以及动态结构图画出 Simulink 仿真图， 如何生成子系统， 如何进行电流的 2/3转 换和 3/2转换，以及一些 Matlab 仿真时的参数调节方法。四 致谢非常感谢刘伟峰老师和王永忠老师两周来的悉心教导， 以及班级同学帮助。 在这两周里学习中遇到了许许多多小问题， 对于这些小问题， 老师总是不厌其烦 的一一指导， 在这里我要再次感谢他们。 正因为有他们， 我才能独立地完成本次 短学期的要求。五 参考文献1. 薛安克等,运动控制系统 ,北京:机械工业出版社 ,2007. 第6章第 6节2. 阮毅等, 运动控制系统，北京