多回路控制系统的设计和仿真

本科实验报告

课程名称：过程控制工程

唐子涵

姓名：

院系：控制系

专业：控制0904

3090104383

学号：

指导教师：戴连奎

2012年4月16日

目录

一、实验目的和要求 (2)

二、主要仪器设备 (2)

三、实验内容和模型建立与实现 (2)

A. 实验背景描述 (2)

B. 仿真模型建立 (4)

C. 仿真任务1：使用串级控制的多回路控制策略 (6)

D. 仿真任务2：使用前馈控制的多回路控制策略 (12)

E. 总结 (18)

实验报告

课程名称： 过程控制工程 指导老师：戴连奎 成绩：_________ 实验名称： 多回路控制仿真练习 实验类型： 同组学生： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理

六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得

一、实验目的和要求

1. 学习搭建SimuLink 仿真模型的过程和方法；

2. 学习多回路控制策略的设计和实现方法；

3. 学习在SimuLink 仿真环境下对多回路控制系统进行PID 参数整定；

4. 在闭环的条件下，学习对系统的动态特性进行评估的方法；

二、主要仪器设备

PC 机、Matlab 软件。

三、实验内容和模型建立与实现

A. 实验背景描述

针对某一单程逆流列管式换热器，对应的工艺介质出口温度单回路控制系统如图3-1所示。它采用饱和蒸汽冷凝所释放的热量对工艺介质进行加热，使工艺介质的出口温度2T 稳定在某个定值。

图3-1中，F R 为工艺介质流量，1T 为工艺介质的进口温度，它们都由上游流程决定，是影响工艺介质出口温度2T 的主要干扰；V R 为加热蒸汽流量，作为工艺介质出口温度2T 的

专业：自动化（控制） 姓名：唐子涵

学号：3090104383 日期：2012.4.16 地点：玉泉五舍515

控制手段，V P 为蒸汽入口压力；u 为蒸汽控制阀的相对输入信号（以DDZ III 型为例，当输入电流为4 mA 时，对应相对输入信号为0 %；当输入电流为20 mA 时，对应相对输入信号为100 %）。图中1m T 、2m T 、Fm R 、Vm R 分别为1T 、2T 、F R 、V R 的测量值。

图1换热器温度控制问题

该模型应包含对象下列非线性静态关系和动态特性： 假设换热器满足如下的稳态热平衡方程：

c p R F (T 2−T 1)=ηH V R V (1)

c p 其中代表工艺介质的比热，H V 为饱和蒸汽的汽化热，η表示换热器的传热效率，并有：

K V =

ηH V

p

=450℃ (2) 此外，T 1、R F 、R V 分别为T 1、R F 、R V 的稳态值。

现在假设1、F V T 1、R F 、R V 之间的动态关系分别为：

g 1(s )=T 1(s )1()=1

2e −3s (3) g 2(s )=R F (s)R F (s)=1

4s +1

e −3s (4) g 3(s )=

R V (s)V =1

e −5s (5) 假设该换热器的静态工作点为020V R =kg/min ，0

150F R =kg/min ，0130T =℃。 假设在静态工作点处有阀门的相对输入信号%800=u ，%800=V f ，0100V P =kPa 。

这里，V f 为蒸汽阀的相对流通面积。又假设控制阀为线性阀，其动态特性可表示为

1

1

)()()(+==

s T s u s f s G V V v (6)

这里假设T V = 0.5 min 。

对于饱和蒸汽流量对象，假设R V 与控制阀开度f V 、阀前压力P V 的静态特性满足下面方程关系：

R V =0.025f V √P V (7)

各传感变送器的测量范围分别为：TT 11的测量范围为0 ~ 200℃；TT 12的测量范围为0 ~ 60℃；FT 31的测量范围为0 ~ 300 kg/min ；FT 32的测量范围为0 ~ 50 kg/min 。1T 、2T 、

F R 、V R 的测量值1m T 、2m T 、Fm R 、Vm R 均用%来表示，即1m T 、2m T 、Fm R 、Vm R 的最小

值为0，最大值为100。

假设流量测量仪表的动态滞后忽略不计；而温度测量环节可用一阶环节来近似，并且两个温度测量环节的一阶时间常数均为0.6 min 。

B. 仿真模型建立

将式(2)、(3)、(4)、(5)代入式(1)，则可得到如下结果：

g 2(s )R F (s )[T 2(s )−g 1(s )T 1(s )]=K V g 3(s )R V (s ) (8)

当输入为T 1、R F 、R V ；而对象输出为T 2时，有：

T 2(s )=g 1(s )T 1(s )+K V g 3(s)R V (s)

2()F ()

(9)

依据式(9)，可在SimuLink 下构建如图2所示的换热器(HeatExchanger)子系统模型。

图2 换热器HeatExchanger 子系统模型

由式(6)、(7)，可以得到如下关系：

R V (s )=0.025G V (s )u (s )√P V (s ) (10)

温度测量环节可以表示为：

G T (s )=T m (s)=1

(11)