熱工過程自動調節實驗指導書華南理工大學電力學院二O O九年18實驗一 典型環節的動態特性一、 實驗目的1 通過觀察典型環節在單位階躍信號作用下的響應曲線，熟悉它們的動態特性。2 了解各典型環節中參數變化對其動態特性的影響。二、 實驗內容分別改變幾個典型環節（1） 比例環節（K）（2） 積分環節（）（3） 一階慣性環節（）（4） 實際微分環節（）（5） 純遲延環節（）（6） 典型二階環節（）的相關參數，觀察它們的單位階躍響應曲線變化情況（曲線條數2），并得出規律。 同時顯示三條響應曲線時的仿真框圖可采用如下的形式，其中傳遞函數的形式根據不同環節進行設置。三、 實驗結果（1）比例環節 G(S)= K 所選的幾個不同參數值分別為K1= 1 ；K2= 3 ；K3= 4 ；對應的單位階躍響應曲線（在輸出曲線上標明對應的有關參數值）：（2）積分環節 G(S)= 所選的幾個不同參數值分別為Ti1= 1 ；Ti2= 3 ；Ti3= 6 ；對應的單位階躍響應曲線（在輸出曲線上標明對應的有關參數值）：（3）一階慣性環節 G(S)= 令K不變（取K= 2 ），改變Tc取值：Tc1= 1 ；Tc2= 3 ；Tc3= 6 ；對應的單位階躍響應曲線（在輸出曲線上標明對應的有關參數值）：（4）實際微分環節 G(S)= 令KD不變（取KD= 2 ），改變TD取值：TD1= 1 ；TD2= 3 ；TD3= 6 ；對應的單位階躍響應曲線（在輸出曲線上標明對應的有關參數值）：（5）純遲延環節 G(S)= 所選的幾個不同參數值分別為1= 1 ；2= 2 ；3= 3 ；對應的單位階躍響應曲線：（6）典型二階環節 G(S)= 令K不變（取K= 1 ）， 令n= 1 ，取不同值：1=0；2= 0.5 ,3= 0.8 （01）；4=1；5= 4 （1）；對應的單位階躍響應曲線（在輸出曲線上標明對應的有關參數值）： 令=0，n取不同值：n1= 1 ；n 2= 3 ；對應的單位階躍響應曲線（在輸出曲線上標明對應的有關參數值）： 令=0.216，n取不同值：n1= 1 ；n 2= 3 ；對應的單位階躍響應曲線（在輸出曲線上標明對應的有關參數值）：四、 實驗小結根據所做的圖，可以得出響應環節的如下規律：1：純比例環節（P）使得信號無遲延、無慣性、按一定的比例復現熟人信號的變化。2：積分環節（I）對應的階躍響應曲線是一條從原點出發的斜率為的直線，積分輸出隨著時間的推移不斷增加，但是輸出必須要經過t=Ti這樣一段時間后，才能達到輸入的值x0。3：一階慣性環節1）當靜態放大系數K不變時，其輸出的響應曲線是有最終可以達到平衡的曲線，慣性時間Tc就是輸出信號最后一起始速度dcdt|t=0 變化到最后平衡所需要的時間。2）響應曲線沒有周期性起伏，所以一階慣性環節是非周期性環節。且慣性時間Tc越大，環節的慣性越大。4：實際微分環節1）輸出信號與輸入信號成比例地躍變，變化量為輸入信號階躍幅值的KD倍，隨后按指數函數曲線規律遞衰減，最后恢復至零（初始平衡值）。2）輸出函數的復原速度是，即復原時間為TD5：純遲延環節輸出信號和輸入信號完全相同，只是在時間上只是落后輸入函數的時間。6：典型二階環節： 當n一定時1）阻尼比=0時是等幅振蕩，01時時過阻尼振蕩，輸出曲線為非周期振蕩曲線。2）欠阻尼系統的在0.50.8之間時，響應曲線比臨界阻尼活過阻尼情況下的響應曲線更快達到穩態值。在非周期系統1中，臨界阻尼系統的響應速度最快，過阻尼系統對輸入的響應比較緩慢。當=0時，即是無阻尼振蕩時無阻尼自然振蕩頻率n反應了振蕩的頻率，其值越大，單位時間內振蕩的次數越多，振幅越小。當=0.216時在阻尼振蕩（即0）中，無阻尼自然振蕩頻率n越大，輸出響應達到平衡所需時間越長，振幅越大。實驗二 熱工對象數學模型的試驗求取一、實驗目的根據已知的調節對象的單位階躍響應曲線試驗數據，學會使用兩點法求取調節對象傳遞函數的方法。二、實驗內容輸入信號x(t)為階躍函數（x(t)100）時，測得對象的階躍響應曲線試驗數據如下表，用兩點法求取其傳遞函數，并通過計算機仿真來驗證所求得的傳遞函數的正確性。時間0153045607590105120輸出02.04.56.59.013.317.523.328.5時間135150165180195210225240255輸出33.037.943.048.554.059.565.071.078.0時間270285300315330345360375390輸出83.088.595.098.099.899.9100100100（1）兩點法：設對象有自平衡能力，其傳遞函數的形式可用下式表示：式中有三個常數k、T0和n需從階躍響應曲線上定出。 在階躍響應曲線上取以下三個數據：（a）y(t)的最后平衡值y()； 100（b）y(t)t=t1=0.4y()時曲線上的點y1和相應的時間t1； 156.1765（c）y(t)t=t2=0.8y()時曲線上的點y2和相應的時間t2； 261然后利用下列近似公式算出傳遞函數中的有關常數： （a） 0.953984（b） 193.1373（c）計算出比值t1/t2，利用下表查出n值。多容慣性對象的n數與t1/t2值的關系n123456789101214t1/t20.320.460.530.580.620.650.670.6860.700.710.7350.75根據t1/t2對照上表查出的值n值很可能不是一個整數，可用以下方法使傳遞函數的形式略加改變：當n不是整數時，令nn1（整數部分）a（小數部分），則t1/t2 = 0.598377 n= 4.459432 T0= 43.30983 （2）仿真框圖框圖中模塊的參數根據求得的傳遞函數進行設定。三、實驗結果（1） 兩點法求得對象的傳遞函數為G(S)= 0.954/(1+43.3S)4(1+0.460*43.3S) （2）仿真曲線記錄數據：時間0306090120150180210模型輸出00.152.269.1120.7335.1549.8362.95誤差04.356.748.397.772.75-1.33-3.45時間240270300330360390模型輸出73.7481.9688.0092.1595.0096.86誤差-2.741.0477.6553.14四、實驗小結實驗三 單回路自動調節系統的整定一、實驗目的a) 熟悉單回路調節系統的整定方法；b) 了解調節器參數對調節過程的影響。二、實驗內容對下列調節系統進行仿真，先根據調節對象估算出調節器各參數（、Ti、Td）的值，再觀察各參數值的變化對調節過程的影響。調節對象的參數可自行選取，例如可選T0=10，n= 4或5。進行仿真實驗，當需要顯示多條仿真曲線時可采用如下所示的仿真框圖：其中，PID模塊可以從Simulink Extras |Additional Linear圖形子庫中提取。該模塊傳遞函數或者我們自己可以構建這個功能模塊，如下所示：單回路調節系統的整定方法主要有臨界比例帶法、圖表整定法和衰減曲線法等，下面介紹其中兩種，可任選其中一種方法進行實驗。1臨界比例帶法 臨界比例帶法是在純比例作用下將系統投入閉環運行，不斷改變比例帶的數值使調節系統產生等幅振蕩，并記錄對應的臨界比例帶c和臨界振蕩周期Tc。然后根據c和Tc得到系統所希望的衰減率時的其它整定參數。具體整定步驟如下：（1）設置調節器整定參數Ti，Td=0，置于較大的數值后，將系統投入閉環運行。（2）系統運行穩定后，適量減小比例帶的數值并施加階躍擾動，觀察被調量的變化，直到出現等幅振蕩為止。記錄此時的臨界比例帶c和臨界振蕩周期Tc。（3）根據臨界比例帶c和臨界振蕩周期Tc，調節器中的整定參數可按下式計算：（i） P調節器：2c ；（ii） PI調節器：2.2c，Ti0.85Tc ；（iii） PID調節器：1.67c，Ti0.5Tc ；Td0.25Ti 。所列的計算公式是按衰減率=0.75時為依據的。根據調節系統采用不同的調節器類型，選用不同的計算公式，求出整定參數。（4）將計算出的各整定參數值設置到調節器中，對系統作階躍擾動試驗，觀察被調量的階躍響應，適當修改各整定參數，直到滿意為止。2圖表整定法圖表整定法是通過被調對象階躍響應曲線的特征參數，經查圖表求取調節器各整定參數的。它適用于典型的多容熱工被調對象，圖表見附表1和附表2。采用圖表整定法首先對被調對象作階躍擾動試驗，記錄階躍響應曲線，求取階躍響應曲線上的特征參數：自平衡率、飛升速度、遲延時間和時間常數Tc,然后通過附表1或附表2的計算公式計算調節器的各整定參數。表中的計算公式是依據衰減率=0.75制定的，若需要得到其它衰減率數值，計算公式要進行修正。表中的計算公式適用于階數較高的被調對象，對于一階和二階的被調對象，計算得到整定參數投入運行后將具有較大的衰減率（0.75）。三、實驗結果調節對象的傳遞函數G(S)=（1）根據整定法求得P調節器：= PI調節器：= Ti = PID調節器：= Ti = Td = 利用計算得到的調節器參數進行仿真仿真曲線（P、PI、PID對應的三條曲線）：性能指標：（2）改變PID調節器參數進行仿真（i）保持Ti 、Td不變，改變 ：仿真曲線（至少三條）：（ii）保持、Td不變，改變Ti ：仿真曲線（至少三條）：（iii）保持、Ti不變，改變Td ：仿真曲線（至少三條）：四、實驗小結實驗四 三沖量雙回路汽包給水調節系統的整定一、實驗目的1 學會復雜系統的分析整定；2 熟悉汽包給水自動調節系統整定的步驟；3 了解PI調節器參數及分流系數對調節過程的影響。二、實驗內容汽包給水三沖量自動調節系統方框圖，如下所示。圖中，H、D、W分別為汽包水位、蒸汽流量和給水流量；Go1(s)、Go2(s)分別為給水流量和蒸汽流量對汽包水位的傳遞函數：， ；D、W、H分別為蒸汽流量D、給水流量W和汽包水位H測量變送器的傳遞系數，DW0.083，H0.033；D、W分別為蒸汽流量和給水流量的分流系數，DW0.21；KZ、Ku分別為執行機構和閥門的特性系數，KZ10，Ku2。要求分別對三沖量汽包給水自動調節系統的內外回路進行整定，并進行計算機仿真。系統中存在內、外兩個閉合回路。內回路是由給水流量信號W局部反饋構成，外回路是由汽包水位信號H反饋到系統調節器輸入端構成的。蒸汽流量信號D只是引入的前饋信號，在系統中該信號并沒有形成閉合回路，前饋調節不會影響系統的穩定性，在整定調節系統時，只需要對兩個閉合回路進行穩定性的分析。整定的具體步驟如下：1內回路的整定內回路方框圖如下所示。內回路系統的閉環傳遞函數為 在內回路中有三個可以改變的參數：比例帶、積分時間Ti和給水流量側的分流系數w，可以把w歸納到調節器中構成一個等效調節器，等效調節器的傳遞函數為等效調節器的等效比例帶為 在整定內回路時，先對w任意選取一個數值（如：w =1），然后通過試驗來改變和Ti的值，一般取Ti為5-10秒，再調整值直到滿意為止，即把內回路整定為一個能迅速消除自發性內部擾動的快速隨動系統。整定得到的結果是Ti數值和/w的比值，整定時w只是一個任意選取的值，在整定外回路時w是一個唯一的整定參數，一旦w有了確定的數值后，也要隨之改變，以保證/w比值不變（即：內回路特性不因為w的改變而改變）。2外回路的整定調節器參數可以設置得較小，使內回路成為快速隨動系統，即：或 。去除不影響調節系統穩定性的前饋信號通道，可得到外回路系統方框圖，如下所示。外回路已可以看作是一個單回路調節系統，可采用整定單回路調節系統的方法來整定外回路。內回路在外回路中相當于處在調節器的位置，因此，外回路調節器的傳遞函數為：外回路的調節器實際上是一個比例調節器,它的等效比例帶為因為是一個確定的常數，所以外回路的穩定性及其它性能完全由來決定。整定外回路時，可采用工程整定法來整定參數，得到值。如果利用圖表法整定，首先通過試驗獲得廣義被調對象的階躍響應曲線（廣義被調對象的輸入信號為給水流量W，輸出信號是水位側差壓變送器的輸出值）。求得和的數值，查圖表求取整定參數。可求出 根據外回路整定得到的值，可求出調節系統比例積分調節器中的比例帶值。3蒸汽流量側的選擇要使靜態偏差為零，靜態時必須滿足ID=IW，即：在正常運行時，可認為D=W，D=W，則有D=W因此，為了克服靜態偏差，蒸汽流量側分流器的分流系數D必須等于給水流量側分流器的分流系數W。三、實驗結果1、內回路：（1）整定得：Ti /w= （2）仿真曲線：（3）性能指標：2、外回路：（1）整定得： w = = D = （2）仿真曲線：（3）性能指標： 四、實驗小結實驗五 過熱汽溫調節系統的整定一、實驗目的了解過熱汽溫調節系統整定的步驟和調節器參數對調節過程的影響。二、實驗內容已知：被調對象導前區傳遞函數，被調對象惰性區傳遞函數，電動執行器和減溫水調節閥的傳遞系數已包含在被調對象的放大系數中，主汽溫和導前汽溫變送器系數。要求：（1）求出串級調節系統中主副調節器參數的整定值（0.75）；（2）進行計算機仿真，在仿真過程中根據要求進一步修改調節器參數的整定值。串級汽溫調節系統系統方框圖如下所示：串級汽溫調節系統方框圖圖中，Go1(S) 和Go2(S)分別為惰性區和導前區對象傳遞函數；Ga1(S)和Ga2(S)分別為主調節器和副調節器的傳遞函數；1和2分別為主汽溫和導前汽溫變送器系數；Kz為執行機構傳遞系數，Ku為噴水調門傳遞系數； Wj1為調節作用引起的減溫水量變化，Wj2為擾動作用下減溫水量，Wj為總減溫水量。一般，汽溫對象導前區的遲延和慣性比惰性區要小，而且副調節器又選用P或PD規律，在這種情況下，內回路的調節過程要比外回路的調節過程快得多。內回路動作時，外回路可以視為開路狀態；當外回路動作時，內回路可視為快速隨動系統。則串級汽溫調節系統可以采取內、外回路分別整定的方法進行整