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机械simulink仿真作业


题目: 《系统建模与仿真》在 除氧水箱水位方面的应用

学 专 学

院: 业: 号:

机械自动化学院 机 械 工 程

201303703055 吴风流 唐秋华(老师) 2014 年 9 月

学生姓名: 指导老师: 日 期:

基于水箱水位调节建模与仿真


摘要
在电力生产的发展过程中, 自动控制起着重要的作用。自动控制系统仿真对 保证生产的安全性、 经济性和保持设备的稳定运行有重要的意义。本文阐述水箱 水位调节系统仿真的基本原理和基本步奏。以除氧器水位控制系统进行仿真,分 析如何根据生产过程内在机理、变化规律建立数学模型,并以用 MATLAB 软件 进行仿真。 仿真结果可以预测控制系统设计或改造后的控制品质,最后达到满足 生产需求的控制效果。

关键词:自动控制;仿真;MATLAB;建立数学模型

Abstract
Automatic control plays an important role in the power generation development process. Automatic control system simulation has important significance to ensure production safety, economy and stability. This paper expounds the basic principles and steps of control system simulation. For example with deaerator water level control system, how to build the mathematical model according to internal mechanism and change rule is analyzed and control system is simulated by MATLAB software. Control quality can be predicted according to simulation results of control system after design or reform, which can meet the requirement of control effect.

Key words: automatic control; simulation; MATLAB; mathematical model
building 仿真是人类探索世界的重要手段,是一种基于模型的活动,建立系统的模型 并使模型随着时间展开, 以进行科学研究和实验室仿真研究的目的。通过仿真在 客观世界和科学认知之间架起了一座桥梁,可以方便有效地研究系统的各个方 面。 PID 控制至今仍占据电力生产过程控制中的 90%以上的回路, 对 PID 热工控 制系统进行建模与仿真,是提高控制系统品质,降低在线调试风险的重要手段, 其具有一定实际用用意义。

1

1 建立模型仿真的目的与意义
1.1 设计过程控制系统和整定调节器的参数
过程的数学模型是极其重要的基础资料,可以指导控制系统选择控制通道, 确定控制方案,分析质量指标,探讨最佳工况以及调节器参数的最佳整定值等, 是实现生产过程最优控制的重要基础。

1.2 指导生产工艺及其设备的设计
通过对生产工艺及其设备的数学模型的分析和仿真, 可以确定有关因素对整 个被控过程特性的影响, (例如锅炉受热面的布置、管径大小、介质参数的选择 对整个锅炉出口气温、气压等动态特性的影响) ,从而指导生产工艺及其设备的 设计。

1.3 进行仿真实验研究
在实现生产过程自动化中, 往往需要对一些复杂庞大的设备进行某些实验研 究, 例如某单元机组及其控制系统能承受多大的冲击电负荷,当冲击电负荷过大 时会造成什么后果。 对于这种破坏性的试验往往不允许在实际设备上进行,而只 要根据过程的数学模型, 通过计算机进行仿真研究, 不需要建立小型的物理模型, 从而可以节省时间和经费[1]。

2 MATLAB 简介
MATLAB 语言是由美国的 Clever Moler 博士于 1980 年开发,功能强大、 内容广发的计算机辅助设计的软件工具。它特有的矩阵处理功能,用于控制理论 研究的专用工具箱和结构图程序设计的 SIMULINK 仿真环境,使得 MATLAB 的应用范围非常广,包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、 财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱拓宽了 MATLAB 环境,以解决这些应用领域内特定类型的问题。MTLAB 包括拥有数 百个内部函数的主包和 30 多种工具包。工具包可以分为功能性工具包和学科工 具包。功能工具包用来扩充 MATLAB 的符号计算,可视化建模仿真,文字处理 以及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号 处理工具包,通信工具包等都属于此类[2]。

2

3.除氧器水箱水位调节系统建模与仿真
3.1 除氧器水箱水位调节系统物理建模
除氧器水箱水位调节用的信号来源有 3 个,相当于三冲量水位调节。3 个信 号分别是:水箱水位高度、除氧器进水量和给水流量(出水量) 。输入的 3 个信 号进入加法器综合后,输出信号到 PID 限幅调节组件,调节组件输出信号到执 法组件,改变进水量的调节阀开度来保持水箱水位。 如图 1 所示的水箱液位控制系统,入口处的阀门由一个调节器控制,以保持 水位不变,出口处的阀门由外部操纵,可将其看成一个扰动量。系统不断有水流 入水箱内, 同时也有水不断由水箱中流出。 水的流入量 Q 1 由进水阀开度? 1 控制, 流出量 Q 2 由用户根据需要通过出水阀开度? 2 来改变。被控制水位为 h ,它反 映水流入和流出量之间的平衡关系。
层流

1

1

调节器

h



2
1

1

2

ρ
A

紊流
V-2

2

图 1 水箱水位系统物理建模原理图

3.2 建立除氧器水箱水位调节系统数学模型
水位的变化均满足下述物料平衡方程: dm ? Wi ? We dt (1)

其中 Wi 为流入液体的质量流量, We 为流出液体的质量流量; 假设水槽的四周是垂直的,槽内液体的质量是液体密度乘以液体体积, m=?Ah(?为常数),有
3

dm dh ? ?A dt dt

(2)

We ? ??2ve

(3)

假设出口横截面的面积为 ?2 ,箱内水面的升降速度为 v 0 , 那么根据流量连 续有:

?2ve ? Av0
么有:
1 2 dm ve2 ? v0 ?dmgh 2 由(4)式和(5)式有:

(4)

选取微小质量 dm 为研究对象,它在重力势能降低的过程中,动能增加,那

?

?

(5)

ve ?

2 gh 1?
2 ?2

A2

生产实际中一般 A ?? ?2 ,那么近似有 ve ? 2gh 综上,可得 dh ?A ? Wi ? ?? 2 2 gh dt 转换成体积流量则有
A dh ? Q1 ? Q2 dt

(6)

(7)

? ? Wi ? ? Q1 ? ? , Q2 ? ?2 2 gh ? ? ? ?

(8)

经拉氏变换后可得到, 1 1 h( s ) ? K 2 ?Q1 ( s) ? Q2 ( s )? (K2 ? ) (9) s A 最后由式(9)和水位控制原理图可以得出水位控制系统的数学模型,见图 2

Q

2

2gh

?
h

2

干扰

h

r

调节器

?

1

? K1 Q K2
1

4

+

1 s

图 2 水箱液位控制系统数学模型 图 2 中,h r 是水箱系统水位的期望值,h 为水箱系统的实际水位,调节器可 以选择比例调节器或比例积分调节器,参数未定。为限制水位不超过规定值,在 调节器后面加一限幅环节,以便使水位不发生太大变化。 K1 是电动调节阀的阀 门特性洗漱, K 2 是过程的放大系数。

3.3 控制系统仿真
采用比例积分调节器建立Simulink动态结构图(见图3)对水箱液位控制系统 进行仿真实验。

图3 Simulink动态结构图

3.4 仿真实验的应用
(1)经测试和查阅产品说明书,确定电动调整阀门的阀门特性系数 K1 ? 1 ; 过 程 放 大 系 数 K 2 ? 0.1 , A ?
A 1 ? 0.05 , ? 10 , 本 实 例 中 取 ? 2 ? 200 K2

hr ? h ? 1, Q2 ? ?2 2gh ? 0.221。
(2)利用Simulink动态结构图(见图3),结合参数整定试凑法,确定参数。 不断改善,直到满意为止。经过不断仿真,得出 K p ? 4, Ti ? 7 的Simulink动态结 构图(见图4)。仿真曲线(见图5)表明控制系统能达到较好的动、静态性能,稳态 误差为0,抗干扰性能较好。 (3)在改造后的系统,输人以上数据进行调试。

5

图4

K p ? 4, Ti ? 7 系统 Simulink 动态结构图

图 5 K p ? 4, Ti ? 7 系统 Simulink 仿真曲线

3.5

系统改造后,系统测试和实际运行时的数据证明,控制系统的品质与仿真

结果一致,并缩短热工人员在线确定调节器参数的时间。

4 结束语
热工控制系统的建模与仿真,对热工控制系统的改造、确定自动控制系统参 数性试验有一定的实际应用意义。在相关设计完成后,可以依照建模、仿真的步 骤,用于检测和预测系统控制品质。在此次建立水箱水位调节系统建模中,我遇 到了不少问题,同时学到了不少新的知识,也逐步掌握了解决新问题的方法,对 以后进一步学习产生莫大的帮助。

参考文献
[1] 谢碧蓉. 热工过程自动控制技术[M]. 北京:中国电力出版社,2007.
6

[2] 张志涌. 精通 MATLAB R2011a[M]. 北京:北京航空航天大圩出版社,2011.

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