空调温度控制系统PDF.pdf

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 2 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= 024（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3 时间常数 T4=25 （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4 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,恒温室内蓄每小时进入室内每小时室内设备照热量的变化率的空气的热量明和人体的散热量每小时从事内排每小时室内向出的空气的热量室外的传热量上述关系的数学表达式是：111()()cabnadCGcqGcdt (21）式中1C - 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 / C） ；a室内空气温度，回风温度（C) ；G送风量（公斤 / 小时） ; 1c空气的比热（千卡 / 公斤 ）; c送风温度（C） ；nq室内散热量（千卡 / 小时)；b室外空气温度（C）; 恒温室围护结构的热阻（小时C/ 千卡). 将式（ 21）整理为：111111111nbacaqdGcCdtGcGcGc5 11111naqGcGcGc（22）或11()aacfdTKdt（23) 式中111TRC -恒温室的时间常数（小时） 。

1111RGc为恒温室的热阻（小时 / 千卡）1111GcKGc恒温室的放大系数 (/CC）; 1bnfqGc - 室内外干扰量换算成送风温度的变化（C） 式（23）就是恒温室温度的数学模型式中c和f是恒温的输入参数 , 或称输入量；而f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f个常量，即0ff，则有110()aacfdTKdt（24) 如果式中c是个常量，即c0c，则有110()aacfdTKdt（25）此时式成为只有被调节量和干扰量两个的微分方程式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. 6 当恒温室处在过渡过程中，则有： (2-6) 0aaa，0ccc，0fff (2-7）式中带“” 项增量将式（ 27）代入式 (23）得：101001()()aaacfcfdTKKdt（2-8）将式(2-6 ）代入式（ 2-8) 得：11()aacfdTKdt(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 (2 3）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: 1111KWT S(2-10 ）二、 热水加热器对象的微分方程如前所述，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 2-7 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: 440ccfdTKWdt式中c水加热器后空气温度的变化（C）; 4T - 水加热器的时间常数（小时) ；W热水流量变化（3米 / 小时） ；0水加器前送风温度的变化（C)；4f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 (C）; 4K -水加热器的放大系数 (/C小时 公斤 ） 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00 ，7 0f，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如下：4400ccfdTKWdt（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00,0W，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：44ccfdTdt(212）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：4441KWsT S (2-13) 441( )1WsT S（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()zazdCFdt(2-15) 式中2C热电阻热容量（/ C千卡) ；z - 热电阻温度（C）; a - 介质温度（C）; - 介质对热电阻的传热系数（2/C千卡 米 小时）; F热电阻的表面积（2米 ） ；由式得22zad zTKdt (216) 如令敏感元件的放大系数21K，则上式可写成2zad zTdt（2-17) 8 式中222TR C敏感元件的时间常数（小时) ，其中21RF为敏感元件的热阻力系数（/C小时千卡 ） 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2zaK（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0.2 1.0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: ZBZBK（219）式中ZB 经变送器将成比例变幻后的相应信号（2/毫安或公斤厘米 ） ；Z敏感元件反映的被测参数（温度）(C） ；BK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(2 19）代入式（ 216）得: 22ZZBadBTBK Kdt（2-20）其增量方程式：22ZZBad BTBK Kdt(221) 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: 2ZBaBK K(222）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：2W sK (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9 “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，可列出气动执行机构的微分方程式如下: 3dWTWFPdtk（2-24）式中333TRC气动执行机构的时间常数（分） ; 3C 薄膜式的容量系数 , 并假定为常数33/米公斤 厘米；3R 是从调节器到调节阀之间到导管的阻力系数23/公斤 厘米米小时；W 热水流量（3米 / 小时 ）; P-调节起来的气压信号（2/公斤 厘米 ） ；流量系数；k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：WFPk(2-25 ）3WKP(2-26 ）式中3Kk - 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：33WsK （227）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10 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：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, 室内外干扰量换算成送风温度的变化等附图 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 ，32 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，但扰动，IISR 热水的流量带来的空气温度的变化未包括在系统内，系统不能克服扰动对恒温室温度的影响 , 仍然不能达到工艺要求11 附图 2。