常规控制系统仿真研究报告.DOCVIP

串级控制仿真练习Ex 4.1 2014-3-28 针对某一单程逆流列管式换热器，工艺介质换热器出口温度目前采用如图4-1所示的单回路控制方案。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稳定在某个定值。 图4-1中，为加热蒸汽流量，作为工艺介质换热器出口温度（即CV）的操作变量（即MV）；为工艺介质流量，为工艺介质的进口温度，它们都由上游流程决定， 为蒸汽入口压力（主要由供气系统决定），、、为影响工艺介质出口温度的主要干扰；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、分别为、的测量值。 图4-1 换热器温度控制问题 该被控过程满足以下假设条件： 假设换热器满足如下的稳态热平衡方程：，其中代表工艺介质的比热，为饱和蒸汽的汽化热，表示换热器的传热效率，并有℃；另外，分别为T1、RF、RV的稳态值。 假设、、与之间的动态关系分别为 、 和。 假设该换热器的静态工作点为kg/min，kg/min，℃, ℃。 假设在静态工作点处有阀门的相对输入信号，，kPa。这里，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，假设TV = 0.5 min。 对于饱和蒸汽流量对象，假设RV与控制阀开度fV、阀前压力PV的静态特性满足以下关系： kg/min。 各传感变送器的测量范围分别为：TT 11的测量范围为0 ~ 200℃；FT 32的测量范围为0 ~ 50 kg/min。、的测量值、均用%来表示，即、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，并且温度测量环节的一阶时间常数均为0.6 min。 一、 仿真任务 某工业装置的现场运行情况表明：受蒸汽系统的影响蒸汽阀前压力PV波动频繁，造成单回路控制系统性能未能满足工艺需要，工艺介质换热器出口温度波动幅度较大。为此，希望引入串级控制，以提高控制系统的抗干扰性能。具体步骤如下： 画出更新后的带控制点的工艺流程图，并详细说明每一部分改进的目的。 确定所用主副控制器的正反作用，画出控制系统完整的方框图（不能用SimuLink的图形来代替），并注明方框图各个环节的输入输出信号（与流程图相对应）。 在SimuLink环境中对所提出的改进控制系统进行仿真研究，详细内容包括： 为每一个控制器选择合适的PID控制规律，并整定其PID控制参数以获取理想的闭环响应； 完成设定值跟踪与针对、、的抗干扰响应试验，同时将SimuLink仿真曲线保存至Matlab数据平台，再用“Plot”相关命令画出全部响应曲线（至少包含、FVm、u）。 与单回路控制输出响应曲线进行比较，并画在同一张曲线图上。 对于上述被控过程，可能存在积分饱和问题。试解释积分饱和存在的原因，提出相应的防积分饱和措施，并与单回路控制方案进行仿真比较。 二、 仿真研究要求 为使仿真研究结果具有可比性，要求： 响应试验前控制系统应达到稳态，即各个物理量均为工作点处的取值。 为了让实验结果具有可比性，要求仿真时间为0.0 - 500 min，而设定值与其它干扰输入的变化分别为 , , , . 建议采用如图4-2所示的传递函数模块作为基本的方框图单元，其中U0、Y0分别为输入输出的静态工作点。 图4-2 带有输入输出静态工作点的通用传递函数模块 为了模拟实际的调节阀，要求采用限幅输出环节“”来对阀门的流通能力进行限制，其中高低值分别限为100和0。 三、 仿真报告格式要求 仿真报告采用PDF，正文为五号宋体，标题可适当加大字号或用粗体。纸张采用A4。 所有报告均在首页标明姓名、学号、班级，文件以“学号.pdf”的格式保存。 报告中所有图表均需指明标题，其中表格的标题在表的上方，图的标题在图的下方。所有表格与图的标题均为小五号宋体。图中所有曲线采用黑体，并指明坐标的意义、单位以及大小。对于有多条曲线的，对每条曲线均要表明其含义，并且需通过选用不同的线型或线宽加以区分。 1 3