过程控制工程课程设计课题名称空调温度控制系统的建模与仿真学院专业班级学生学号时间 6 月13日至 6月19日指导教师(签字)2011 年 6 月 19 日目录第一章设计题目及要求 (1)1.1设计背景 (1)1.2设计任务 (1)1.3主要参数 (2)1.3.1恒温室： (2)1.3.2热水加热器ⅠSR、ⅡSR： (2)1.3.3电动调节阀： (2)1.3.4温度测量环节： (2)1.3.5调节器： (2)第二章空调温度控制系统的数学模型 (3)2.1恒温室的微分方程 (3)2.1.1微分方程的列写 (3)2.1.2 增量微分方程式的列写 (5)2.2 热水加热器对象的微分方程 (5)2.3敏感元件及变送器的特性 (6)2.3.1敏感元件的微分方程 (7)2.3.2变送器的特性 (7)2．3．3敏感元件及变送器特性 (8)2.4 执行器的特性 (8)第三章控制系统方案设计 (9)3.1系统分析 (9)3.2 单回路控制系统设计 (10)3.2.1单回路控制系统原理 (10)3.2.2单回路系统框图 (10)3.3串级控制系统的设计 (11)3.3.1串级控制系统原理 (11)3.3.2串级控制系统框图 (12)第四章单回路系统调节器参数整定 (13)5.1.1、PI控制仿真 (16)5.1.2 PID控制仿真 (17)5.1.3、PI与PID控制方式比较 (17)第六章设计小结 (18)参考文献 (18)第一章设计题目及要求1.1设计背景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。
本设计中假设送风量保持不变。
1.2设计任务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。
1.3主要参数1.3.1恒温室：不考虑纯滞后时：容量系数 C=1（千卡/ O C）1送风量 G = 20（㎏/小时）空气比热 c= 0.24（千卡/㎏·O C）1围护结构热阻 r= 0.14（小时·O C/千卡）1.3.2热水加热器ⅠSR、ⅡSR：作为单容对象处理，不考虑容量滞后。
=2.5 （分）时间常数 T4放大倍数 K=15 （O C·小时/㎏）41.3.3电动调节阀：= 1.35比例系数 K31.3.4温度测量环节：=0.8按比例环节处理，比例系数K21.3.5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。
第二章 空调温度控制系统的数学模型2.1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。
2.1.1微分方程的列写根据能量守恒定律，单位时间进入恒温室的能量减去单位时间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：式中—恒温室的容量系数（包括室空气的蓄热和设备与维护结构表层的 蓄热）（千卡）；；—送风量（公斤/小时）；—空气的比热（千卡/公斤 ）；；—室散热量（千卡/小时）；；千卡）。
将式（2—1）整理为：adt+或式中—恒温室的时间常数（小时）。
—为恒温室的热阻（小时 /千卡）；。
式（2—3）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。
输入量只输出量的信号联系成为通道。
干扰量至被调量的信号联系成为干扰通道。
调节量至被调量的信号联系成为调节通道。
,则有,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。
2.1.2 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.所以往往希望秋初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：项增量.将式(2—7)代入式（2—3）得：将式(2—6)代入式（2—8）得：式中（2—9）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,恒温室的传递函数如下:2.2 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水加热器看成水加热器看成是一个容量滞后的单容对象，这里掀不考虑它的纯滞后，那末水加热器对象特性了用下述微分方程式来描述：式中；—水加热器的时间常数（小时）；小时）；；；）。
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。
，，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：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：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:2.3敏感元件及变送器的特性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。
2.3.1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：式中；；；；—热电阻的表面积；由式得式中—敏感元件的时间常数（小时）为敏感元件的。
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道可以忽略时，式就变成2.3.2变送器的特性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一0—10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公斤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：式中；（）；2．3．3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（2—16）得：其增量方程式：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：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：2.4 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,可列出气动执行机构的微分方程式如下:式中—气动执行机构的时间常数（分）；W —热水流量（；P；—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：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：第三章 控制系统方案设计3.1系统分析设计系统应能保证恒温室的温度维持在某一定值，当室温度与设定温度不同时，可以通过调节流入热水加热器的流量来改变进入恒温室的空气温度，实现对恒温室温度的调整。
在前文的建模过程中已经看到，系统存在一些主要的干扰影响恒温室的温度，如新风送风量变化、加热器热水温度变化、加热器热水流量变化、空调房人的散热量以及室外温度等等。
设计系统应充分考虑这些干扰的影响。
3.2 单回路控制系统设计3.2.1单回路控制系统原理在此处单回路系统中，选择被控参数为恒温室的温度，控制参数为蒸汽盘管加热器ISR 控制工艺图，将IISR 的流量变化量作为主要干扰量，调节器可采用PI 或者PID 控制规律，通过MATLAB 仿真对这两种方式进行比较。
图为控制系统的工艺图图，选取恒温室的温度作为被控参数，ISR 加热器热水流量作为控制参数。
TT 温度传感器的温度信号传入调节器TC 后，与给定值比较 得到偏差信号，偏差信号传至调节阀控制热水流量，从而实现对温度的控制。
3.2.2单回路系统框图＇y(t)调节器调节阀ISR恒温室x(t)—+IISRe wpØeØe ＇Øaf1f2f4f1f3图中被控参数为恒温室的温度，控制参数为蒸汽盘管加热器ISR，存在的干扰为IISR加热器。
x(t)为流量给定值，y(t)为系统输出是恒温室的温度， f1为室外温度干扰，为室设备、人体散热干扰，为加热器IISR热水流量干扰，为加热器热水温度变化干扰，其中为主要干扰。
当系统稳定工作时，设备及人员等散发的热量不变，室外温度不变，热水加热器ISR及IISR的热水流量不变，调节阀保持一定的开度，此时恒温室温度稳定在给定值x（t）上。
干扰破坏了平衡工作状态时，导致了恒温室温度的变化，而此时恒温室的温度感应器测量到了温度不符合给定值，将温度的变化通过变送器将信号传递到调节器处理，调节器根据一定的调节规律给调节阀发出校正信号，通过控制调节阀的开度来调节ISR热水加热器的热水流量而改变混合空气的温度，最终将变温后的混合空气送入恒温室，来使恒温室温度重新回到给定值，来克服上述扰动对恒温室温度的影响，最终使恒温室温度达到给定值。
3.3串级控制系统的设计3.3.1串级控制系统原理采用单回路时，从干扰出现到检测到空调房温度改变有很大延迟，因此可以考虑采用串级控制，以提高系统对干扰响应的速度。
在此处串级控制系统中，选择被控参数为恒温室的温度与进风口温度，控制参数为蒸汽盘管加热器1SR热水流量，干扰量为加热器ⅡSR热水流量变化。
图为控制系统的工艺图图，选取恒温室的温度作为主被控参数，进风口温度作为副被控参数，ISR 加热器热水流量作为控制参数。
TT 温度传感器的温度信号传入调节器TC 后，与给定值比较得到偏差信号，偏差信号传至调节阀控制热水流量，从而实现对温度的控制 3.3.2串级控制系统框图图中，x(t)为流量给定值，y(t)为系统输出是恒温室的温度，为室外温度干扰，为室设备、人体散热干扰，为加热器IISR 热水流量干扰，为加热器热水温度变化干扰，其中为主要干扰。
当系统稳定工作时，设备及人员等散发的热量不变，室外温度不变，热水加y(t)主调节器 调节阀ISR恒温室图 2串级系统框图主温度变送器x(t) —+ IISR副调节器副温度变送器 —+e p Øaf1f2e ＇ p ＇WØe ＇Øef1 f4 f3热器ISR 及IISR 的热水流量不变，调节阀保持一定的开度，此时恒温室温度稳定在给定值x （t ）上。