空调温度控制系统.doc

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1、-!目录第一章 过程控制课程设计任务书2一、设计题目2二、工艺流程描述2三、主要参数2四、设计内容及要求3第二章 空调温度控制系统的数学建模4一、恒温室的微分方程4二、热水加热器的微分方程6三、敏感元件及变送器微分方程7四、敏感元件及变送器微分特性8五、执行器特性8第三章 空调温度控制系统设计9一、工艺流程描述9二、控制方案确定10三、恒温室串级控制系统工作过程13四、元器件选择13第四章 单回路系统的MATLAB仿真17第五章 设计小结19第一章 过程控制课程设计任务书一、设计题目：空调温度控制系统的建模与仿真二、工艺过程描述设计背景为一个集中式空调系统的冬季温度控制环节，简化系统图如附图所

2、示。 系统由空调房间、送风道、送风机、加热设备及调节阀门等组成。为了节约能量，利用一部分室内循环风与室外新风混合，二者的比例由空调工艺决定，并假定在整个冬季保持不变。用两个蒸汽盘管加热器1SR、2SR对混合后的空气进行加热，加热后的空气通过送风机送入空调房间内。本设计中假设送风量保持不变。设计主要任务是根据所选定的控制方案，建立起控制系统的数学模型，然后用MATLAB对控制系统进行仿真，通过对仿真结果的分析、比较，总结不同的控制方式和不同的调节规律对室温控制的影响。三、主要参数 （1）恒温室： 不考虑纯滞后时：容量系数 C1=1（千卡/ OC） 送风量 G = 20（/小时） 空气比热 c1=

3、 0.24（千卡/OC） 围护结构热阻 r= 0.14（小时OC/千卡） （2）热水加热器SR、SR： 作为单容对象处理，不考虑容量滞后。 时间常数 T4=2.5 （分） 放大倍数 K4=15 （OC小时/） （3）电动调节阀： 比例系数 K3= 1.35 （4）温度测量环节： 按比例环节处理，比例系数K2=0.8 （5）调节器： 根据控制系统方案，可采用PI或PID调节规律。调节器参数按照过程控制系统工程整定原则，结合仿真确定。四、设计内容及要求1.过程建模 用机理分析法分别建立上述各环节的数学模型。2系统设计分别按单回路系统和串级系统方案构成控制系统，画出控制工艺图和系统方块图。3调节器参

4、数整定用MATLAB仿真手段，按过程控制系统调节器参数工程整定方法确定单回路系统控制器参数。4仿真分析对单回路系统，以加热器SR热水流量变化为主要干扰，在阶跃干扰作用下，通过仿真，分析比较调节器参数变化对系统的影响。5串级控制系统仿真（选）用MATLAB仿真手段，按过程控制系统调节器参数工程整定方法确定串级系统控制器参数，并对干扰进行仿真分析，与单回路系统比较。6. 设计报告主要包括：机理分析建模过程分析工艺流程，确定控制方案，画出控制流程图、方框图，说明其工作原理。用MATLAB仿真实现单回路系统调节器参数整定的过程单回路系统的MATLAB仿真串级系统的MATLAB仿真（选）单回路系统与串级

5、系统的MATLAB仿真比较（选）设计小结第二章 空调温度控制系统的数学建模一、 恒温室的微分方程为了研究上的方便，把图所示的恒温室看成一个单容对象，在建立数学模型，暂不考虑纯滞后。1 微分方程的列写根据能量守恒定律，单位时间内进入恒温室的能量减去单位时间内由恒温室流出的能量等于恒温室中能量蓄存的变化率。即 上述关系的数学表达式是： (2-1)式中 恒温室的容量系数（包括室内空气的蓄热和设备与维护结构表层的蓄热）（千卡/ ）； 室内空气温度，回风温度（）； 送风量（公斤/小时）； 空气的比热（千卡/公斤 ）； 送风温度（）； 室内散热量（千卡/小时）； 室外空气温度（）； 恒温室围护结构的热阻（

6、小时 /千卡）。将式（21）整理为： (2-2) 或 (2-3)式中 恒温室的时间常数（小时）。 为恒温室的热阻（小时 /千卡） 恒温室的放大系数（）； 室内外干扰量换算成送风温度的变化（）。式（23）就是恒温室温度的数学模型。式中 和 是恒温的输入参数，或称输入量；而 是恒温室的输入参数或称被调量。输入参数是引起被调量变化的因素，其中起调节作用，而起干扰作用。输入量至输出量的信号联系称为通道。干扰量至被调量的信号联系称为干扰通道 。调节量至被调量的信号联系称为调节通道。如果式中是个常量,即,则有 (2-4)如果式中是个常量,即，则有 (2-5)此时式成为只有被调节量和干扰量两个的微分方程式.

7、此式也称为恒温室干扰通道的微分方程式。2 增量微分方程式的列写 在自动调节系统中,因主要考虑被调量偏离给定值的过渡过程.所以往往希望求出被调增量的变化过程.因此,我们要研究增量方程式的列写.所谓增量方程式就是输出参数增量与输入参数增量间关系的方程式。 当恒温室处在过渡过程中,则有： c0+f0=a0 (2-6)， (2-7)式中带“” 项增量将式(27)代入式（23）得： (2-8)将式(26)代入式（28）得： (2-9)式中（29）是恒温式增量微分方程式的一般表达式，显然，它与式（23）有相同的形式 。对上式取拉式变换,可得恒温室的传递函数如下: (2-10)二、 热水加热器对象的微分方程

8、如前所述，水加热器可以是个双容对象，存在容量滞后，为了使研究问题简化，可以把图27水加热器看成是一个容量滞后的单容对象，这里先不考虑它的纯滞后，那么水加热器对象特性了用下述微分方程式来描述： 式中 水加热器后空气温度的变化（）； 水加热器的时间常数（小时）； 热水流量变化（ /小时）； 水加器前送风温度的变化（）；进入水加热器的热水温度的变化引起的散热量变化折合成送风温度的变化（）；水加热器的放大系数（ ）。他的物理意义是当热水流量变化一个单位是引起的散热量变化社和送风温度的变化。当热水器前送风温度为常量且进入水加热的温度不变时，即 ， ，由上式可以得到热水加热器1SR对象调节通道的微分方程式

9、如下： (2-11)当热水加热器前送风温度为常量且进入加热器的热水流量变化为常量，即 ， ，由上述可得到热水加热器2SR的对象 调节通道的微分方程式如下： (2-12)对上加热器1SR及2SR取拉式变换,可得二者传递函数的传递函数如下: (2-13) (2-14)三、 敏感元件及变送器的微分方程敏感元件及变送器也是自动调节系统中的一个重要组成部分，他是自动调节系统的“感觉器官”，调节器根据特的信号作用。1敏感元件的微分方程 根据热平衡原理，热电阻每小时有周围介质吸收的热量与每小时周围介质传入的热量相等，故无套管热电阻的热量平衡方程式为： (2-15)式中 热电阻热容量（）； 热电阻温度（）；

10、介质温度（）； 介质对热电阻的传热系数（）； 热电阻的表面积（）；由式 得 (2-16)如令敏感元件的放大系数，则上式可写成 (2-17)式中 敏感元件的时间常数（小时），其中 为敏感元件的热阻力系数（）。 其时间常数与对象的时间常数相比较 ，一般都较小。当敏感元件的时间常数小到可以忽略时，式就变成 (2-18)2变送器的特性及微分方程 采用电动单元组合仪表时，一般需要将被测的信号转换成统一010毫安的电流信号，采用气动单元组合仪表需转换成统一的0.21.0公斤厘米2信号。他们在转换时其时间常数和之滞后时间都很小，可以略去不计。所以实际上相当于一个放大环节。此时变送器特性可用下式表示： (2-

11、19)式中 经变送器将成比例变幻后的相应信号（）； 敏感元件反映的被测参数（温度）（ ）； 变送器的防大系数。四、 敏感元件及变送器特性考虑到敏感元件为一阶惯性元件，二变送器为比例环节，将式（219）代入式（216）得： (2-20)其增量方程式： (2-21)如果敏感元件的时间常数的数值与对象常数比值可略去时，则有： (2-22)即敏感元件加变送器这一环节可以看成是一个比例环节。对敏感器及变送器微分方程取拉式变换可得其传递函数如下： (2-23)五、 执行器的特性执行器是调节系统中得一个重要组成部分,人们把它比喻成工艺自动化的“手脚”.它的特性也将直接印象调节系统的调节质量,根据流量平衡关系

12、,可列出气动执行机构的微分方程式如下: (2-24)式中 气动执行机构的时间常数 （分）；薄膜式的容量系数，并假定为常数；是从调节器到调节阀之间到导管的阻力系数；W热水流量（ ）；P调节起来的气压信号（）； 流量系数；执行器的弹簧的弹簧系数;在实际应用中，一般都将气动调节阀作为一阶惯性环节来处理，其时间常数为数秒之数十秒之间，而对象时间常数较大时，可以把气动调节发作为放大环节来处理、则简化的调节系统的微分方程如下： (2-25) (2-26)式中 气动调节阀的防大系数。 对敏感器及变送器微分方程取拉式变换可得其传递函数如下： (2-27) 第三章 空调温度控制系统设计一、工艺过程描述设计背景为

13、一个集中式空调系统的冬季温度控制环节，简化系统图如附图1所示，控制工艺流程如附图2所示。 系统由空调房间、送风道、送风机、加热设备及调节阀门等组成。为了节约能量，利用一部分室内循环风与室外新风混合，二者的比例由空调工艺决定，并假定在整个冬季保持不变。用两个蒸汽盘管加热器1SR、2SR对混合后的空气进行加热，加热后的空气通过送风机送入空调房间内。本设计中假设送风量保持不变。设计主要任务是根据所选定的控制方案，建立起控制系统的数学模型，然后用MATLAB对控制系统进行仿真，通过对仿真结果的分析、比较，总结不同的控制方式和不同的调节规律对室温控制的影响。 附图1二、控制方案确定1.单回路系统 方案一

14、：工艺要求恒温室温度为某一定值，因此可以选取恒温室的温度为被控参数，选取ISR热水量为控制参数，构成如附图2.1,2.2所示的单回路系统。影响恒温室的因素很多，主要是ISR,IISR热水的流量和送风温度b, 室内外干扰量换算成送风温度的变化f等。附图2系统的特点是所有被控参数的扰动都包含在这个回路中，理论上都可以有温度调节器予以克服。但控制通道的时间常数和容量滞后较大，控制作用不及时，系统克服扰动的能力较差，不能满足工艺要求。方案二 ： 选择ISR出口温度为被控参数，设计附图3.1，3.2所示控制系统。此时恒温室温度为间接控制量。该系统的特点是能及时有效的克服扰动b，但扰动f，IISR热水的流

15、量带来的空气温度的变化未包括在系统内，系统不能克服扰动f对恒温室温度的影响，仍然不能达到工艺要求。恒温室TTTC附图 2.1 单回路控制系统b f调节器调节阀ISR恒温室IISRx1+-温度变送器附图2.2 单回路系统框图恒温室TTTC 附图3.1 单回路控制系统b f调节器调节阀ISR恒温室IISRx1+-温度变送器附图3.2 单回路系统框图 2.串级控制系统 方案三：若充分应用上述两种方案的优点，即选取恒温室温度为主被控参数，选取ISR出口温度为副被控参数，把恒温室调节器的输出作为恒温室温度调节器的给定值，构成了附图4.1,4.2所示的恒温室温度和ISR出口温度的串级控制系统。这样扰动b对

16、恒温室温度影响主要由ISR出口温度调机器构成副回路来克服。扰动f对恒温室温度的影响由恒温室温度调节器构成的主回路来消除。恒温室 TT22TC1TT1TC2 附图4.1 串级控制系统 b f调节器1调节阀调节器2ISRIISR恒温室x1+温度变送器1-温度变送器2附图4.2 单回路系统框图 综上所述，选择方案三，串级控制系统控制恒温室温度。三、恒温室串级控制系统工作过程当处在稳定工况时，ISR流量和温度不变，IISR热水的流量和新风温度b, 室内外干扰量换算成送风温度f温度处于相对平衡状态，调节阀保持一定开度，此时恒温室温度稳定在给定值上，当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程，

17、根据不同扰动，分三种情况讨论。1. 新风b及回风a形成的混合风的变化-二次扰动或副回路扰动扰动先影响风道温度，于是副调节器立即发出校正信号，控制调节阀的开度，ISR改变热水流量，克服扰动对送风温度的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响送风温度及恒温室温度；如果扰动幅值较大。虽然经过副回路的及时校正，仍影响恒温室温度，此时，再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使恒温室温度调回给定值上来。2. 室内外干扰量换算成送风温度的变化f-一次扰动或主回路扰动 扰动f使恒温室温度变化时，主回路产生校正作用，克服f对恒温室温度影响，温度变化后通过温度变送器转换成4到20mA电流，送入主

18、调节器，主调节器发出校正信号，进行第一次调节，再送入副调节器进行二次调节，调节器控制调节阀的开度，ISR改变热水流量，对温度进行调节。由于副回路的存在，加快了校正作用，是扰动对恒温室的温度影响比单回路系统要小。3.一次扰动和二次扰动同时存在 串级系统中调节阀选电动调节阀，主、副调节器均为反作用，如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减少，主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，及大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，是恒温室温度很快调节到给定值上。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大，另一个减小，此时，主、副调节器控制调节方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即可满足控

19、制要求。四、元器件的选择1温度变送器：DDZ型温度变送器选用DBW型电动二线制温度变送器。DBW型电动二线制温度变送器属于DDZ-型电动单元组合仪表中变送单元，它与调节器、执行器指示仪、记录仪等可组成自动调节回路，或指示回路。变送器为现场安装式。两线制变送器因受输出信号下限影响（4mA DC）一般没有线性校正电路，因此变送器的输出只与毫伏（热电偶）、R（热电阻）成正比。为实现精确温度工程量指示，本系列与之配置的二次仪表（调节仪、指示仪、记录仪等）的刻度是与测温元件的毫伏（或R）温度特性相一致的。主要技术指标输出信号：420mA精度：输入信号5mV(R10)0.5级3mV(6)输入信号（R）5m

20、V(10)1级1.5mV(3)输入信号（R）3mV(6)1.5级负载电阻：250450供电电源及方法：24V DC一般由双重隔离型配电器供电环境条件：温度：25+60周围空气不应含有腐蚀性气体、对铬、镍镀层，有色金属及其合金起腐蚀作用的介质。 功耗：0.5W防爆类型和等级：隔爆型dBT42.调节器：采用STB-4201可编程调节器本仪表是一种带微处理机的智能调节器，内部有多个PID模块，不仅能完成内部串级，独立实现四路PID调节的输出，还具有开方，温度补偿，压力补偿及加、减、乘、除、折线近似等多种运算功能，有四组独立的显示操作面板，不必切换，方便用户，它适用于石油、化工、冶金、轻工等工业过程的

21、自动控制，并具有通信功能，与监控微机相连可组成分散控制系统。参数与规格： 主要技术指标调节部分比例积分微分（PID）作用参数比例带（PB）：0799.9%积分时间（TI）：099.99min微分时间（TD）：099.99min 模拟部分 输入：输入电压：DC15V 输入点数：14点 输入阻抗：不小于500K 输出：电压输出：8点DC15V 电流输出：4点DV420mA 负载电阻：250600 AOI1AOV1AOI2AOV2 AOI3AOV5AOI4AOV6 数字部分 输入电压：低电平04V 高电平1030V 输入点数：11点 输入偏置电流：低电平-1.5mA以下 高电平10uA以下 输出点数

22、：9点（其中1点S信号不可编程） 输出方式：晶体管输出（集电极开路） 触点功率：DC30V0.1A（电阻负载） 指示部分 输入输出指示 指示点数：每个回路面板显示3点（测量值PV，给定值SP，输出值VP）（共12点显示） 指示形式：数码管（3位） 指示精度：0.5%FS通信部分通信速率：56.7KC通信距离：1KM通信规范：RS-4853.电动调节阀1）厂家：上海川沪2）电子式电动单座调节阀ZDSP电动单座调节阀ZRSP电动单座调节阀3）产品概述ZD(R)SP电子式电动单座调节阀，由3810L(或PSL系列)型直行程电动执行机构和低流阻直通单座调节阀组成。电动执行机构为电子式一体化结构，内有伺

23、服放大器，输入控制信号(420mADC或15VDC)及电源即可控制阀门开度，将电流信号转变成相对应的直线位移，自动地控制电动单座调节阀的开度达到对压力、流量、液位、温度等工参数的连续调节。电子式电动单座调节阀具有动作灵敏、连线简单、流量大、体积小、调节精度高等特点。电子式电动单座调节阀适用于对泄露量求严格、阀前后压差低及有一定粘度及含少量纤维介质的场合。4）主要技术参数 阀体阀体形式直通铸造球型阀 公称通径 DN20200mm公称压力 PN1.6、2.5、4.0、6.4法兰标准 GB/T9113、 JB/T79连接形式 法兰(FF RF RTJ)、焊接(SW BW)、螺纹(适用于1以内)阀盖形

24、式标准型-17+230、高温型+230+450、低温型-60-196、波纹管密封型-40+350 压盖型式 螺栓压紧式 密封填料V型聚四氟乙烯填料、含浸聚四氟乙烯石棉填料、石棉纺织填料、石墨填料 阀内件阀芯形式单座柱塞型阀芯流量特性线性、等百分比 执行机构 执行器型号3810L系列、PSL系列主要技术参数电源电压：220V/50Hz、输入信号：4-20mA或1-5VDC、输出信号：4-20mADC防护等级：相当IP55、隔爆标志：ExdBT4、手操功能：手柄环境温度：-25+70、环境湿度：95%5）主要零件材料及结构图1阀体 WCBCF8CF8MCF3M2阀座304304316316L3垫片

25、PTFE/金属石墨垫片4阀芯 304304316316L5导向套 304304316316L6阀盖 WCBCF8CF8MCF3M7阀杆 304304316316L8填料 PTFE/柔性石墨 9弹簧 65Mn304316316L10螺母 304304316316L6）主要性能指标项目 指标值 基本误差%配3810L2.5； 配PSL1.0回差% 配381L 2.0； 配PSL1.0死区% 1.0始终点偏差%电开 始点2.5终点2.5始点2.5终点2.5电关 始点 2.5终点 2.5额定行程偏差%2.5泄露量L/h0.01%阀额定容量 可调范围R30：1第四章 单回路系统MATLAB仿真1.单回路

26、系统仿真框图2.比例系数环节Kp参数整定Kp=1Ki=0Kd=0 Kp=0.5Ki=0Kd=0 图1.1 图1.2Kp=0.2Ki=0Kd=0 Kp=0.1Ki=0Kd=0图1.3 图1.4Kp：增大开环放大系数KP，将加快系统的响应速度，在有静差时，有利于减少静差。但是KP过大，会加大系统的超调，甚至产生振荡，使系统不稳定。2.积分环节Ki参数整定Kp=0.1Ki=1Kd=0 Kp=0.1Ki=0.5Kd=0 图2.1 图2.2Ki:减小积分系数， 有利于减少超调，使系统稳定性提高，但是，系统静差的消除将随之减慢。 3.微分环节Kd系数整定Kp=0.1Ki=0Kd=0.1 Kp=0.1Ki=

27、0Kd=0.05图3.1 图3.2 Kd:减小微分系数，有利于加速系统的响应，使系统的超调减少，提高稳定性，但是系统的抗干扰能力差4.单回路控制系统整定Kp=0.1Ki=0.005Kd=0.05 Kp=0.1Ki=0.005Kd=0.1 图4.1 图4.2 如图为最终整定参数，Kp=0.1,Ki=0.005,Kd=0.1，调节最终稳定，并且速度较快。第五章 课设小结设计初期，将老师给的数学模型及任务书进行了研读。将各个控制环节，传递函数融会贯通，通过查资料，对元器件的功能进一步了解，对需要用的功能及参数记录下来。通过对课本串级控制系统的学习，对串级控制系统有了一定的理解，并参考书上锅炉恒温控制

28、系统，对空调温度控制系统工艺流程有了大概的了解。在方案选择时，以干扰为考虑对象，单回路控制系统方案中，以不同的干扰为主，分别对其进行控制，但都存在误差，或延迟，于是考虑串级控制系统控制恒温室温度恒定，一方面，用副回路使控制更及时，另一方面主回路保证这个系统的温度控制。针对不同方案，画出控制系统流程图及方框图。通过课本给的资料及上网查资料，考虑到控制系统的需要，对元器件进行了选择。通过学习Matlab,对其作用有了大致了解，针对仿真需要用到的Simulink软件，在图书馆借书，找案例，以便更好的掌握它的用法。在初步仿真过程中，正系统最终为大震荡，在老师的指导及同学帮助下，对单回路的调节器参数进行重新整定，最终得到比较理想的控制波形。