默默地最快乐
范文一：过程温度控制系统时间常数分析
过程温度控制系统时间常数分析
2003年第2期炼油与化工47
过程温度控制系统时间常数分析
毕远新
(大庆华科股份公司,黑龙江大庆163316) 对于温度控制系统来说,经常出现控制时间常数过长 的问题,尤其对于系统干扰较多的情况,更难于实现平稳 控制.现对单回路温度控制系统加以分析,得出影响时间 常数的因素.
1系统时间常数分析
用蒸汽对冷流体直接加热,符合热量平衡的关系.通
过控制蒸汽量的大小来控制罐内水温达到某一设定值.这是一个简单的单容过程的单回路控制系统,假设其主要干 扰来自冷流体的变化(保持蒸汽压力,温度和冷流体流 量c不变).
设:蒸汽在单位时间内带入加热器的热量为;冷流 体在单位时间内带入加热器的热量为;热流体在单位 时间内由加热器带出的热量为;加热器里积存的热量 为?(忽略热损失).
则当c=时,该对象的输出参数保持一定
同样根据能量平衡关系有,当进入加热器 值,即所谓静态.
的热量与从加热器带出的热量不等时,就表现出对象内热 量积存的改变,用数学关系式表示为:+一=du/dt, 这就是简单传热对象的原始动态方程.
为了得到只含有输入参数的微分方程(数学模型)必 须将原始动态方程中既不是输入参数又不是输出参数的 中间变量消去.为此必须对所研究的对象进行分析,以确
定输出参数(一般为被调参数)与输入参数(也就是影响被 调参数的参数,如干扰及调节参数)再通过中间变量与输 出参数和输入参数的函数关系,将中间变量消去. 输出参数是被调参数7',而影响使之发生变化的 因素有蒸汽量?及蒸汽压力尸的变化,冷流体温度. 及冷流体流入量的变化等.若在生产中蒸汽压力及冷 (上接第3l页)
流体流量始终不变,当冷流体温度改变后,用改变蒸汽 加热量的办法使维持恒定,则在这个具体情况下, 输人参数就是(干扰),及w(调节参数).因而,,, 以及?等就是中间变量,它们和输入参数与输出参数 的关系为:
=××T;a=a×T;=WxH
du/dt=V×,×xdTa/dt
式中,一冷热流体的比热,设近似相等,并在下面 统一用表示.则
Vxrxc~xdTJdt=6-xc7xH—ccT
若仅考虑蒸汽量的改变对加热后流体温度的影响(设 冷流体温度不变,?T=0)
则V×,xdATJG~xdt+Aa=×AW/Gc×
此式被称为对象调节通道的数学模型.拉氏变换得 到:
(V×,×/G+1)×Tx(S)=×g~(s)/c×
(TxS+1)日(S)=×g/(s)
(S)=7,a(S)/g/(s)=K/(m+1) 其中:T=V×,/c,K=H/c×C
由式=V×,/Ga可以看出,用蒸汽直接加热构成 的温度系统被控对象的干扰较少,系统的输入输出变化较 少,控制系统较简单.通过减小对象的有效体积和增大冷
流体流量的方法可减小时间常数.
2结束语
减小体积或增大流量均可达到减小时间常数目
的.增加流量似乎可以减小时间常数,但实验表明热水罐
的温控质量已严重下降.另外,如果减小热水罐直径,使最
佳工作点上移,通过改变流量来使时间常数进一步缩小.
RealizationofMolecularSieveAdsorber
AutomaticRegenerationSysteminDCS
.Manlao
(ComputerDevelopmentCompanyofDaqingPetrochemicalEngineeringCompany,Daqing163714,China)
Abstract:Itintroducesautomaticcontrolprincipleofmoleculal.sieveadsorberregenerationsysteminair—separationproductionunit.
Utilizingdistributedcontrolsystem(DCS)torealizecontrolprocesscansolveexistingoriginalproblemsinaspectsofdesign,opera-
tionandrunningofinstrumentationcontrolsystem.Newsystemismuchmorerational,safe,reliable,convenientforoperation,
straightlyviewedandcanimprovetheautomationlevelofpurificationprocessmeanwhile. Keywords:molecularsieveadsorberregenerationsystem;automaticcontrolsystem;DCSsystem
范文二：【word】 基于阶跃温度响应的热电偶时间常数测试系统
基于阶跃温度响应的热电偶时间常数测试
系统
第37卷第1期
2011年1月
中国测试
CHINAMEASUREMENT&TEST
Vo1.37No.1
January,2011
基于阶跃温度响应的热电偶时间常数测试系统
滕士雷,孔喜梅
(1.无锡机电高等职业技术学校,江苏无锡214028;2.无锡交通高等职业技术学校,江苏无锡214151)
摘要:为了更方便地测试热电偶时间常数,设计了一套热电偶时间常数测试系统,包括工控机,信号调理电路,A/D采
集,数据采集处理软件和打印机等.根据热电偶对阶跃温度的响应,提出了一种全新的热电偶时间常数测试方法,设计
功能完善的信号调理电路,通过PCL818L数据采集卡将采集的数据送交上位机应用软件进行分析处理,得到所需要的
热电偶参数,应用软件提供各类报表输出及数据打印功能.
关键词:热电偶;时间常数;数据采集;PCL818L数据采集卡;测试系统
中图分类号:TH811;TP212.11文献标识码:A文章编
号:1674—5124(2011)01—0024—04
Testsystemoftimeconstantbasedonsteptemperatureresponse
TENGShi—lei.KONGXi—mei
(1.WuxiMachineryandElectronHicherProfessionalandTechnicalSchool,Wuxi214028,China;
2.WuxiInstituteofCommunicationsTechnology,Wuxi214151,China)
Abstract:InordertofacilitatethetestOthermocoupletimeconstant,athermocoupletime
constanttestsystemwasdesigned.ThesystemiscomposedofIPC,signalconditioningcircuit,A/
Dcollectingcard,dataprocessingsoftwareandprinter.Inaddition,anewmethodfortestingthe
timeconstantofthermocouplewasproposedaccordingtoitsresponsetophasesteptemperature.
BythePCL818Lcard,thedatawascollectedandtransferredtoapplicationsoftwareforanalysis,
bywhichthedesiredparametersofthermocouplecanbeobtained.Theapplicationsoftware
providesalltypesofreportingformsoutputanddataprinting.
Keywords:thermocouple;timeconstant;dataprocessing;PCL818L;testsystem
l引言
温度传感器的时间常数是动态温度测量中的一
个重要参数,也是衡量温度传感器动态测试性能的
重要指标,各个应用领域,对温度传感器的时间常数
都有具体的要求.然而由于影响时问常数的因素很
多且复杂,难以用理论计算的方法获得准确的数值,
实际应用中都是采用实验测定的方法来获得所需
的参数.因此设计功能完善的热电偶时间常数测试
系统,在各领域的应用中具有很大意义.
2系统原理分析
系统由工控机,信号调理电路,A/D采集,数据
采集处理软件和打印机等部分组成,系统的测试原
理如图1所示.
信号调理电路对热电偶信号进行有关处理及放
大,经过处理的信号由A/D采集,再由处理软件对数
收稿日期:2010—03—16:收到修改稿日期:2010—06—05
作者简介:滕士雷(1982一),男,江苏连云港市人,高级技师
主要从事工控系统开发及机床改造等方面的研究上作.
热偶对阶跃温度的响应为:
一To:(—To)(1一e—t/T)
式中:卜热电偶指示温度;
一
热接点初温;
——
阶跃温度;
采用差分放大电路,放大倍数可通过电位计进行调
(2)整.另外可在输人端接人标准电压信号,通过软件配
合对放大器零点和电路增益进行标定和校准,保证
测量精度.热电势信号调理电路原理如图2所示.
t——对阶跃温度的响应时间;
——
热电偶时间常数.
当江T时,则有:()(1.)--o.632(T~一To),
即时间常数是热电偶指示温度与初始温度之
差达到温度阶跃(一)的63.2%所需的时间l2l.
由以上推论可知:
对于热电偶温度传感器,时间常数是指示温度
与初始温度之差达到温度阶跃(—To)的63.2%
所需的时间.这是时间常数的定义,同时也说明了
测量的方法.
为了便于温度阶跃的实现,可采用室温,可
以是一个可设定温度的恒温槽,测量时将热电偶直
接插入恒温槽即可.
3系统采集器设计
系统是以工控机为硬件平台,测试数据的提取依
靠数据采集设备来完成,采集器选用研华公司的
PCL818L数据采集卡,可以直接与工控机主板上的
接口插槽相连,依靠相应的硬件驱动程序即可实现
测试数据的采集,结构紧凑,开发工程量小.
PCL818L是一个多功能高性能通用的数据采集
卡,它在一个板上集成了所有数据采集的功能如A/D,
D/A,D/O和D/I[.
PCL818L有以下特性:8路单端12位模拟输入
通道;各种输入电压范围(双极性)有2.5V,1.25V,
0.625V和0-3l25V;一个l2位单片模拟输出通道;
转换时间为25/.zs;精度为读数的0.015%+1BitLSB;
输入阻抗为10MI2;采样传输速率为25kHz(最大).
PCL818L与其他硬件设备的交互接口是CN1,
CN2和CN3.CN1是数字输出接口;CN2是数字输入
接口;CN3是模拟输入/输出接口.因为测试的是模
拟信号,所以只用到CN3t4~.关于PCL818L数据采集
卡的详细资料请参考其数据手册.
3.1信号调理电路设计
采集卡的输入电压范围设置为1.25V.考虑到电
压边界特I生,把对应的输入电压调理成一1.20叶1.20.
热电偶输出信号分为热电势信号和电阻信号,不同
的信号采用不同的信号调理电路,下面逐一介绍对
各种信号的处理方法及原理.
3.1.1热电势信号
热电偶输出信号为热电势时,因信号值很小,故
输入电
势信号
图2热电势信号调理电路原理框图
当输入热电势为0—4.1mV时,经过放大,电平
平移后的电压为一1.20,+1.20V,送AiD采样.
“标定电路”的作用是由软件确定放大电路的零
点和电路增益.
零点标定:在输入端接人电压0V(设为),通
过软件读取对应的AD值(设为Y.).
电路增益标定:在输入端接人约4mV的电压,
设为同时用标准电压表测量具体数值.通过软件
读取对应的AD值(设为Y),的具体数值由键盘
输入到电脑.
通过二个点(yo),(Y)可定出一条输入电
压和AD值之间的对应关系直线.
设某个电压值对应的AD值为Y,则:
戈----X0+y(l一o)/(Yl—yo)
信号的接入由调理板上的切换电路自动实现.
3.1.2电阻信号
热电偶输出信号为电阻时,采用分压电路将其
转换为电压,放大倍数可通过改变电位计RP1的电
阻值来进行调整.另外可在输入端接人标准电阻,通
过软件配合对放大器零点和电路增益进行标定和校
准,保证测量精度同.
电阻信号调理电路原理与热电信号基本相同,
可参考图2.当输入电阻为46,150Q时,经过放大,
电平平移后的电压为一1.20,+1.20V,送A/D采样.
“标定电路”的作用和方法同热电势信号所介绍.
3.2采样精度与测量精度分析
采集器PCL818L的采集频率最大可达到25kHz,
选用100Hz采集频率,就可以达到不低于0.05s的
时间精度要求_3I.
采集器为12位的A/D卡,精度为读数的0.015%?1
BitLSB.1BitLSB对应的精度为(1/4096)x100%=
0.024%t~.因此A/D卡总的精度为?(0.015+0.024)%=
?0.039%.
在设计中,A/D卡的输入信号范围通过信号调
理后满量程使用,使得热电势信号和电阻信号的精
26中国测试2011年1月
度分别可以达到0.48%和0.14%,足以满足系统设计
需要.
3.3可靠性设计
为保证测试系统的可靠性要求,从元器件的选
用到整机的装配,均严格按照有关规定执行,均选用
可靠性指标比较高的元器件,按照EMC电磁抗干扰
测试标准进行电路板设计与制作.另外在电源输入
线路上加装输入滤波器以提高设备的抗干扰能力.
4应用软件设计
4.1软件系统组成及程序设计
测试系统应用软件采用VC++6.0编写,由采集
卡控制程序,温度信号采集程序,信号分析处理程
序,结果表达程序,人机接口程序和存储/报表输出
程序6个部分组成,软件结构如图3所示.
图3系统应用程序结构图
使用VC++6.0编程时,程序要包含ADSAP132.UB
和头文件Driver.h,它是应用AdanteehDLL的基础.
在程序中添加采集器PCL818L的DLL动态链接库,
提供了对PCL818L相关口地址的读写操作函数[41.
这些函数都是标准的WindowsAPI,主要用到的动态
链接函数包括:
(1)DRV—GetErrorMeSSage
函数功能:根据错误的代码得到出错的信息,然
后将此错误信息返回到信息缓冲器.
(2)DRV—Deviceopen
函数功能:从注册或配置文件得到适合于设备
工作的参数,并分配内存用来存储这些参数以快速
提取.
(3)DRV—DevieeClose
函数功能:用来释放所分配的存储参数.
(4)DRV—GetAddress
函数功能:返回一个变量的指示器或地址.
(5)DRV—AIConfig
函数功能:为模拟输入通道进行增益配置.
(6)DRV—AIVoltageIn
函数功能:读取一个模拟输入通道,然后返回结
果到一个电压(单位:V).
(7)数据功能结构函数,包括:
PT—AIConfig:被DRV—AIConfig函数调用;
PT—AIVolatgeIn:被DRV—AIVolatgeIn函数调用.
根据数据采集的要求,在软件编写的过程中,A/D
转换功能尤为重要,这里给出实现对8路模拟量数
据采集通道中的电压测量的主要代码:
CtestView:Ontestvohages()
{
Cstringehannum.Result;
CVATINTESTplest;
Ptest.Vohagesin(O,15);
SetTimer(O,100,NULL);
CDCpDC=GetDC();
for(inti=0;i<8;i++)
{
Result.Format(“%3.2f”,ptest.fvoltage[i]);
Channum.Format(“%3.2f”,i);
pDC一>TextOut(100,30+20”i,”第”+channum+
“通道输入值为”+result);
}
ReleaseDC(pDC);
}
利用ClassWizard生成定时器函数OnTimer(),
用于定时采集并显示各采集通道输入模拟量的电
压值.
ClestView::OnTimer()
{
Ontestoltages():
)
最后,编译并运行程序,可以从屏幕上看到
PCL818L数据采集卡各通道输入模拟量的电压值.
数据采集完成后经过软件处理得出测试结果,
PCL818数据采集卡支持Matlab应用,为了编程更方
便,功能更稳定,软件中画图和时问常数的计算是通过
VC++6.0调用Matlab来实现的.程序中用Matlab编写
完画图和计算时间常数的函数后,分别将它们生成两
个不同的COM组件并进行打包,然后将生成的COM
组件对应的DLL文件添加到VC++6.0工程的引用中
去,这样就可以在VC++6.0中进行使用了.
4.2系统界面及其功能设计
测试软件的主界面如图4所示.测试结果在工
控机显示器上显示,操作简便,直观.在主界面中,除
了菜单命令外,也可以通过对应的命令按钮进行操作.
4.2.1系统管理
系统管理包括系统自检,退出等命令.系统自检
第37卷第1期滕士雷等:基于阶跃温度响应的热电偶时间常数测试系统27
系统管理测试拉制工具帮助
囹困瞳圈圈画
J\\
ll系统自检型号选择报表生成l
I
退出测试时间设置报表打印【
l开始测试兰兰l
热电阻阻值设定
标定
图4系统主界面示意图
是在测试软件启动时对系统硬件进行检测,并依此
判断系统是否可以正常工作.
4.2.2测试控制管理
测试控制完成测试任务的组织,调度和管理,包
含型号选择,测试时间设置和校准等信息.各命令菜
单的功能说明如下:
(1)型号选择命令用下拉式菜单实现,分为热
电偶式和热电阻式两个型号.
(2)测试时间设置用输入文本框实现,可在出
现的文本框中设置测试时间;测试时间可以通过将热
电偶浸入恒温槽,达到热平衡所需的时间进行估算.
(3)开始测试表示设备进入就绪状态,它自动跟
踪被测量温度,当与温度差超出?时开始测量
并开始计时,经过设定的测试时间后自动停止测试.
(4)热电阻阻值设定可以设定热电阻阻值;测试
台可对不同类型的热电阻进行时间常数的测量.
(5)标定是对放大电路进行零位校准和比例放
大倍数校准,使得测量结果更加准确.
4.2-3工具管理
工具菜单命令提供对测试数据进行相关处理的命
令.包括报表生成,报表打印和历史报表查询等命令.
4.3输出报表及测试结果
在测试的过程中,将待测传感器放入设定的恒
温槽可连续加热,当被测热电偶检测温度达到横温
槽设定温度的63.2%时系统显示出时问常数值,打
印机输出的报表格式如图5所示.
图5应用软件输出报表界面设计
(1)输出报表的纵坐标随被测热电偶类型不同
而变化.为了符合相关单位与科研机构对参数的获
取需求,更直观地输出测试结果热电势型为温度刻
度,热电阻型为电阻刻度.
(2)输出报表的横坐标为时间.为按”开始测
试”命令后到热电偶放人恒温槽后开始测试的时间,
由于恒温槽加热时间与实际温度71变化的关系如
表1所示.
表1恒温槽加热时间与实际温度变化的关系
恒温槽加热时间tf2r3T4r
(T-To),(一To)63.2%86.5%95.O%98.2%
恒温槽加热时间t5363738r
(Z),(—To)99_3%99.8%99.9%99.97%
根据此表以及大量的实践表明,在5倍以后阶
跃温度趋于平衡,因此将恒温槽加热时间确定为温
度传感器时间常数的5倍以上,以获得准确的时间常
数值.界面中(—To)为设置的测试时间,横坐标的刻
度根据设置时间的长短自动进行调节.
(3)”?为在测试过程中显示即时温度值(若测
试的是热电阻则显示电阻值).
5结束语
系统采用了全新的设计方案,在信号的处理,采
集,软件功能方面都做了深入的分析,设计了较为完
善的硬件操作平台及上位机测量软件,使得测量更为
科学,准确且操作方便,可以满足相关企业及科研机
构的应用需求.因此,系统产品化后取得了很好的应
用效果和经济效益,成为热电偶时间常数测量与分
析的有力工具.
参考文献
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范文三：【doc】基于实时时间常数的一阶检测系统预测算法及应用
基于实时时间常数的一阶检测系统预测算
法及应用
第30卷g’2期
2001年4月
贵州I业大学(自然科学版)
JOURNALOFGUIZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY
(NaturalScienceEdition)
文章编号:1009—0193(2001)02—0080—03
Vo】.30No.2
ApriI.2001
基于实时时间常数的一阶检测系统预测算法及应用
涂一新.张胜.余新春
(湖北黄冈师范学院计算机系.湖北黄冈438000)
摘要:从一阶检测系统的阶跃响应出发.利用计算机实时采样的数据和推导的相关舟式,可
以精确的计算出检测系统的时间常数,时,利用响应过程特性曲线,可以方便地”预测”出激
励信号的大小.减小j系统的动态误差,缩短j检测时间,有较大的实用性.
关键词:一阶检则系统;阶跃响应;动态误差;时间常数
中囝分类号:TP316.2:0235文献标识码:A
0引言
在工业过程(如热工,化7-)的实时检测控制过程中,检测系统作为获取被测对象信息的主要单元,其实
时性,准确性直接影响系统的控制精度.由于传感器等检测元件存在能量传输的延迟.使加在系统上的激
励信号与输出的随时间变化的响应信号之间有时间延迟,即测量结果具有滞后性质.这种滞后性质常引起
被测对象产生超调或振荡.给测量和控制带来诸多不便L1J.为了提高滞后系统的实时性,业界提出了多种
控制和算法.其中施密斯(Smith)预估算法和大林算法是目前使用最多的滞后补偿算法.施密斯(Smith)预
估算法要求并联一个补偿环节.用来补偿被控制对象中的滞后部分,即增加预估器.大林算法的目标是设
计一个合适的控制器.使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性.不足之处是这两种
算法要么需要新的硬件支持.要么运算量大,增加了软件的编程难度,而且.两种算法都涉及到时间常数.
时间常数是反映检测系统传输特性的一个重要参数,系统响应时间的长短直接与时间常数有关.由于同一
类型的检测系统,同一检测系统的不同使用时期,其时间常数均不一定相同.因此,时间常数并不是一固定
值,这给检测结果带来较大误差.本文提出一种实时计算时间常数的方法.利用实时计算的时间常数,可以
使求解结果的误差相对最小.对于一阶检测系统,利用响应曲线和实时计算的时间常数,能较精确的”预
测”出被测系统的被测量.该方法被成功地应用到窑炉的实时温控系统.取得了较好的效果.
1求解时间常数的基本思想
1.1检测系统的一阶响应特性
理论和实践表明,给一阶检测系统施加阶跃信号予以激励,其阶跃响应过程可用下式描述_2J:
f(z)=f(oo)一[f(..)一f(0)](1)
式中z为响应时间:r(0)为阶跃激励作用前系统输出的初值;,(..)为阶跃激励作用后系统达到稳定时
的输出;r为检测系统的时间常数.
实际上,当?5r时.可视为f()=f(oo).
式(1)中,第一项的值与输入量的大小成正比,第二项为系统的动态误差.r值越大,则达到稳定态的时
间愈长,动态误差就愈大.
1.2算法
血线上任意一点的斜率就是该点的导数.由式(1)可得
收藕日期:2001—01—02
柞者筒升:撩一新(10一),男.讲师,硬士,主要从事计算机教学和科研
工作
一……………一……
第2期涂一新.等:基于实时时间常数的一阶检测系统预测算法及应用8l
)==uf,(2)
在计算机处理过程中,需对检测系统的输出值进行实时采样,假设每两次采样时问间隔为?f,则第J次
采样时所对应的曲线斜率k(J)为
砌)=一r{J(3)
r(j)在?At时刻系统的时间常数.
由于检测系统时间常数未知,无法利用式(3)计算斜率.但计算机所得数据是对响应曲线按固定周期
采样而生成的,是离散信号,因此可以采用差分的方法来实现微分.利用巴特沃期滤波器构成的二阶滤波
器能较好的解决问题.即
():妻c_?-(4)
F(j)为第J次的采样值,F(j)=f(J?At).这里G的大小不会影响最后求得的r的结从响应
函数出发,根据实测值,”预先”计算出其真值.下面以一阶检测系统为例加以分析.
由式(1)可得
f(o.)=(f(t)一f(O)e”)/(1一P”)
结合式(5).有
,(一)=[(F?0)*(/[1一()J](6)
为采样序号.
由上式可知,当知道采样时间,时问常数,f(t)的值,或知道采样序号,F(j)相邻五个采样点的值,就可
以利用相关算法计算出系统的稳态值,进而根据稳态输出与输入之间的比例关系.求出阶跃激励信号的大
小.即根据测量初值和当前测量值,或利用实时计算的时间常数可以方便地”预测”被测量的实时值.
3误差分析
从式(5)的角度看,时间常数与采样时间间隔?及曲线斜率的变化有关.由于采样点所对应的斜率直
接与相邻几个采样点的值有直接的关系,即使采样时间间隔?f很小,两相邻采样点对应的斜率趋近相等,
但由于所”预测”的值没有直接的影响.这一点,由式(6)得到验证.
设M=k(j一1)/k()
对式(5)求微分.得
dr==dM:A.dMInM(7)’一M.
(M)一??f一’
其中
82贵州I业太学(自然科学版)2001年
A—At
M.(1nM)M?At
为了提高测量速度.采样周期一般都取得很短.即At<<r,则JAJ》1.所以由式(7)可知,斜率的微小变
化将引起时间常数的较大偏差.鉴于曲线斜率是单调连续的.其相邻两的斜率比是常数.在实际检测过程
中.计算连续各点斜率比,并对所得的数据进行防脉冲干扰的滑动平均滤波处理,最后得到一个较稳定的斜
率比.利用这一稳定的斜率比去计算时间常数.误差将显着减小.
4实验结果
在建筑装饰材料的生产制备过程中,经常会用到工业窑炉,其作用是让陶瓷制品在高温下烧结成型.
工业窑炉是否实现实时温控对制备的产品质量有较大的影响.在现场实验中采用镍铬一镍硅热电偶作为
传感元件采集温度信息,该热电偶直径约10mm,时间常数近似为20s.传统测温时,为使热电偶输出稳定,
每次测温时间约为100—120s.在测算时,为满足热遇偶频率特性要求,式(4)中取C1:0.257.C2=0.371
(见文献3).为使热电偶的输出尽可能接近理想特性,在多次测量时.让热电偶充分冷却后再进行下一次测
量.同时热电偶的阶跃响应应在低温阶段与指数规律相差甚远.所以,
在采样时测量点的温度(热电偶的初
始温度)选择在200”(2以上.根据工业窑炉的现场的实测和”预测”的结果分析.比较”预测”算法所得结果与
实测值.其绝对误差和相对误差都很小,而测温时间仅为传统方法测温时间的1/5.说明这种基于时间常数
的预测算法是可行的.实验数据见表1.
表1宴马金数据和结果分析
文中所述方法,不仅可以方便地在线实时求解时间常数,同时利用实时采集的现场数据,在求解的实时
时间常数的基础上,进行被测量的”预测”.在测量精度要求不太严格的情况下,可以利用”预测”公式进行
测算,从而大大缩短测量时间.情况特殊的时候,还可进行超标的检测,如利用常用的热电偶去测量超过
其量程的介质温度.所以,通过权衡测量精度,温量时间和测量环境,可以将这种”预测”方法应用到诸如航
天,测控,机械加工等存在时间延迟的而系统实时性要求较高的更多更广的领域.
…一’’一
(下转第88页)
范文四：测控雷达伺服系统位置环和速度环的时间常数核算方法
测控雷达伺服系统位置环和速度环的时间
常数核算方法
电子工程2009年第1期
测控雷达伺服系统位置环和速度环的时问常数核算方法
方宗奎
(中国人民解放军91245部队,葫芦岛125000)
摘要:测控雷达伺服系统位置环时间常数和速度环时间常数的选择是伺服系统控制环路设计的关键.介绍
一
种位置环时间常数和速度环时间常数的计算验证方法.工程实践证明,该核算方法完全可行.
关键词:伺服系统;位置环;速度环
Verificati0nMethodforTime.constantsof
Location-loopandSpeed--loopinServoSystemofRadar
FANGZong.kui
(Unit912450fPLA,Huludao125000)
Abstract:Choosingtime?-constantsoflocation--loopandspeed—-looparckey?-stepsfordesigningco
ntrollingcircuitof
Sel’~Osystem.Amethodtove曲time—constantsoflocation—loopandspeed—loopisintroducedinthispaper.Eneering
practiceshowsthatthismethodiscorrectandavailable.
Keywords:Servosystem;location?loop;speed—loop
1引言
测控雷达伺服系统的主要功能是接收各种引
导源信息(角误差电压),驱动方位轴和俯仰轴电
机,控制天线的转动,使天线主波束能准确,快速,
稳定地对准目标,从而完成目标的测控任务.
测控雷达一般要求有较高的测角精度,对跟
踪的平稳性和动态性也要求较高,且天线座(含抛
物面天线)的结构谐振频率和速度环的带宽对位
置环有重要影响.如图1所示,伺服系统的设计
一
般为以工控计算机为核心,采用典型的位置,速
度,电流回路构成的”三环制二阶无静差”数字化
系统,具有加速度补偿功能.本文主要阐述方位
图1常用伺服环路结构图
支路位置环时间常数和速度环时间常数的计算验
证方法(俯仰支路类似),速度环和电流环的其它
参数通常可以由功放单元予以保证,并可在位置
环调试时依实际情况进行适当调整.
2设计指标要求
天线,天线座和伺服系统结构的谐振频率必
须大大高于伺服系统的带宽,否则系统就会在谐
振频率上振动,因结构和工艺等方面的原因,这个
比值一般定为3倍最小值.工程设计上一般要求
谐振频率大于6Hz,带宽选为1.5Hz,满足3倍最
小值要求.因此,假定某测控雷达伺服系统有如
下部分设计指标要求.
2.1伺服带宽
在谐振频率不低于6Hz的条件下,回路带宽
为1.0Hz,1.5Hz两档.
2.2暂态指标
在单位阶跃信号作用下,应满足调整时问小
于1.5s,超调量小于30%,振荡次数小于2次.
为了实现上述技术指标,必须首先计算验证
位置环时间常数和速度环时间常数.
方宗奎:测控雷达伺服系统位置环和速度环的时间常数核算方法37
3参数计算方法
方位位置环设计成?阶无静差回路.位置环
回路的简化框图如图2所示.
0
图2位置环路简化框图
0
为得到?阶无静差系统,位置环可采取如下
形式:,
():(1)
位置环的开环传递函数为:
)=(2)
式中,k.:位置调节器增益;
k:速度环增益;
:减速器传动比;
.r:位置环时间常数;
:速度环调节器时间常数.
如何选择’Tp-~参数的值,成为设计的关键,
下面详细说明.
设加速度常数(开环增益)::,则位置
环的开环传递函数为:
)=鬻等?
相应的开环对数幅频特性如图3所示.
二u若w舳w,
\r—
\
K
\l\Jr
...\f1
‘1)
p
【I)
4
‘1)e
,\g?
\图3位置环开环对数幅频特性图
由图3可知,(=1/.『)为第二转折频率,
(=1/r)为第三转折频率,为截止频率.在
处有=薏:一
般认为等效噪声带宽是位置环开环截止频
率的1.5,2倍,我们取2倍,即?.与JB有如下的
关系:
=
=
K
设计指标要求伺服带宽最高为=1.5Hz,从
而有:
?.==1.51T=4.71(rad/s)
?p=.=1.57(rad/s)
?=3to=14.13(rad/s)
.rp=I/top=0.64(s)
在?处有=?.?=7.4.
位置环在?处的相位裕量为:
(toe)一rctg()一arctg()
arctg()可理解为速度回路的相位滞后,假设位
置环的相位裕量为y(.)=50.,那么
arctg()…ctg()_5o.
1.3,
=
71.57.一50.=21.57.
即要求速度环要有足够的带宽,且有较高的
谐振频率,以减小对位置环的相位贡献.
设计指标要求伺服带宽分为两档:1.0Hz和
1.5Hz.当=寺?时,对不同的带宽,各参数关
系如表1所示.
表1回路参数表
(Hz)1.O1.5
?.(rad/s)3.144.71
下p(s)O.960.64
r(s)0.1060.071
(rad/s)3.277.36
4仿真验证
将表1中的参数代人(3)式中,用MATLAB仿
真=1.5Hz时位置回路的单位阶跃响应,如图4
所示.(下转第45页)
杨广辉,等:LabVlEW在角调信号时频分析中的应用45
从频域特性图不难看出,此信号为限带信号,
且有幅度较高的频率分量,通过时频域测量,该信
号时域最大幅度为0.21,幅度最大频率分量为
355.141kHz,最大频偏设置为800kHz,符合多音调
频情况1的条件,通过计算带宽理论值应近似为
1034.282kHz.而实际测量的带宽值为946.0817
kHz,误差约为88kHz,在工程计算允许的误差范
围内.
5结束语
调频信号的频谱分析是一项复杂的工作,利
用IahVIEW则可以非常方便地进行角调信号的
时频域分析,能够提供直观的图形显示和强大的
测试测量能力,同时也增加了工作的趣味性,这都
是传统分析手段所不能实现的.作为基于PC平
台的虚拟仪器技术,LabVIEW在通信测试分析领
域的应用越来越广泛,功能也得到不断完善.利
用LabVIEW的快速模型搭建和更为有效的设计,
可以降低工作难度,节约成本,提高效率.
参考文献
1JohnG.Proakis,MasoundSalehi着.通信系统原理[M].
北京:电子工业出版社,2006
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5陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通
[M].北京:清华大学出版社,2007
杨广辉男,1983年出生,硕士,研究方向:矢量信号
分析.
杨瑞民男,1966年出生,副教授,研究方向:系统集
成与电子设计自动化.
(上接第37页)
,,
—,
}
|
7
/
…l
图4单位阶跃响应
由图4可以看出,系统的单位阶跃输入下的
品质指标为:
1)过渡过程时间:1.5s;
2)超调量:25%;
3)振荡次数:0.5次.
满足设计技术指标的要求.
5结论
伺服系统位置环路的位置环时间常数和速度
环时间常数的选择是伺服系统位置环路设计的关
键.我们在实际工程中按照上述计算验证方法进
行了多套伺服系统的设计.当然也采用了双机电
消隙,加速度补偿等措施,以提高系统的测角精度
和跟踪有较大加速度目标的能力.工程实践证
明,该计算验证方法合理可行.
参考文献
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1979
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电子工业出版社,2003
方宗奎国防科技大学工程硕士,主要从事雷达总体
论证和研究工作.
范文五：基于总和时间常数法的送引风控制系统仿真
文章编号：（2004）1006-934807-0149-03
1
与锅炉的蒸汽负荷要求相适应，同时保证锅炉燃烧过程安全经济运行，因此，当锅炉的负荷变化时，需要进行燃烧调整。燃料量变化时，应及时改变进入炉膛的空气量，以保证燃料的完全燃烧和排烟损失最小，送风量控制应保证锅炉燃烧过程的经济性。引风量控制应使引风量与送风量相适应，并保持炉膛压力在要求的范围。炉膛压力反映引风量与送风量相适应的程度，在送风量一定时，炉膛压力高（炉膛负压低）说明引风不足，炉膛压力低（炉膛负压高）说明引风过大，炉膛压力的高低关系锅炉运行的安全。目前，送风量控制系统有以下几种类型：燃烧率指令—风量系统；燃料量———风量系统；蒸汽量—风量系统；热量—风量系统；氧量———风燃比系统；带氧量校正的送风控制子系统。引风量控制系统以炉膛压力为反馈信号控制引风，并引入送风调节器输出或送风档板开度为前馈信号。可见，送、引风量控制系统均采用单回路控制方案，而送、引风量系统本质上是多变量系统。理论和实践表明：采用单回路控制方案实施多变量系统的控制存在缺馅，原因是该方案不能消除送、引风量系统间的相互影响，影响了控制质量，从多变量系统角度考虑这一问题，通
收稿日期：2003-03-24
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
第21卷第7期
计算机仿真
2004年7月
基于总和时间常数法的送引风控制系统仿真
刘久斌，李德桃
（江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江212013）
摘要：该文对电厂锅炉燃烧送引风控制系统进行了讨论，对该系统从多变量角度进行了分析，引入总和时间常数法对解耦后的等效对象进行了校正、整定和计算机仿真，给出了仿真曲线。结果表明，总和时间常数法整定系统简便易行，控制质量好，能够满足工程要求，有推广价值。关键词：送风；引风；时间常数；控制仿真中图分类号：TP273
文献标识码：A
Simulation of Boiler Forced Draft and Induced Draft Control System
LIU Jiu -bin ，LI De -tao
（Jiangsu University ，Zhenjiang Jiangsu 212013，China ）
ABSTRACT ：This paper discusses boiier forced draft and induced draft controi system and anaiyses the system by muitivari-abie controi theory ，decoupied eguivaient controiied objects are tuned and adjusted by sum time constant approach ，the controi system is simuiated by computer ，step response curves are given. Resuit shows that the approach is simpie and convenient ，there is a good guaiity in the controi system. The approach can meet the engineering ，reguirements and is worth spreading. KEYWORDS ：Forced draft ；Induced draft ；Time constant ；Controi simuiation
引言
锅炉燃烧过程自动控制的任务在于使锅炉的燃烧工况
过解耦可消除送、引风量系统间的相互影响，从而提高控制质量。利用总和时间常数法对解耦后的送引风等效对象进行整定和仿真是一种新的尝试，本文在此作一探讨。
2送引风对象的数学模型
锅炉送引风对象可
用图1简单表示。
送风流量；Os ：Og ：引风流量；Us ：送风开度；Ug ：引风开度；Pf ：炉膛压力。
送引风对象的数学模型可用图2
表示。
图1
锅炉送引风对象
图2送引风对象的数学模型
送风通道流动阻力系数，即：Rs ：Us 阶跃扰动时，Pf 与Os
的静态值之比。
—149—
引风通道流动阻力系数，即：Rg ：Ug 阶跃扰动时，Pf 与Og 的静态值之比。
送风调节机构档板特性，即：Us 阶跃扰动且炉膛压Ks ：
力不变时，Os 的静态放大倍数。
引风调节机构档板特性，即：Us 阶跃扰动且炉膛压Kg ：
力不变时，Og 的静态放大倍数。
4送引风系统的控制和仿真
针对图3的送引风对象加解耦矩阵形成如图5框图。
C ：
炉膛容积系数。图2可等效图3，
可见送引风对象是一个多变量对象。
图3图2的等效图
3基于总和时间常数的整定法
该方法由德国学者提出，适合于阶跃反应曲线为S 型的
自平衡能力对象。
设被控对象阶跃反应曲线的传递函数为：G
（s ）=Ko
（t 1S +1）（T 2S +1）…（t m S +1）T 1S +1T 2S +1T I S +1e
-ts （1）总和时间常数T 定义为：
T =T 1+T 2+…+T I -（t 1+t 2+…+t m ）+t （2）再定义：y （1t ）=!
［t
Ko -y （
1）］d1（）
3
有如下结论：
Ao 为阶跃反应曲线图4中的斜线面积。
Ao =y （1 ）=KoT
（4）
图4
被控对象的针对有自平衡能力对象，实际阶跃反应曲线
整定时，若其传递函数未知，可试
验求取其阶跃反应曲线，求得Ko 、Ao ，进而得知T ；若其传递函数已知，可容易得知Ko 、T ；经理论推导有表1所示结果。在Ko 、T 已知的情况下，
可按表1整定调节参数。表1
参数整定公式
参数
类型
Kp
Ti
Td
P 1/Ko PI 0. 5/Ko 0. 5T PID
1/Ko
0. 66T
0. 167T
—150—
图5解耦框图
信号间输入输出关系如下：
[Os
（s ）Pf （s ）
]=A
（S ）[Us
（s ）Ug （s ）
]（5）
A （S ）=INV [1/Ks ，1（/KsRs ）
1/Kg ，-（1+RgCS ）/KgRg
][Us
（s ）（6）
Ug （s ）]=B （S ）[Is
（s ）Ig （s ）]B （S ）=INV [
1，-G 12
（S ）-G 21
（S ），1]
[Os
（s ）Is
（s ）（s ）（Is
7）
Pf （s ）
]=A （S ）B （S ）[Ig （s ）]=C （S ）[Ig （s ）]（c 11（，C
S ）S ）c =[
12（S ）c 21
（S ），c 22（S ）]
（8）
C （S ）=A （S ）B
（S ）按解耦原则，令C （S ）的非对角元素为零得：
G 12（S ）=-KgRg （/KsRs
（1+RgCS ））（9）G 21
（S ）=-Ks /Kg （10）
进而得对角元数为：
c 11
（S ）=KsRs （1+RgCS ）（/Rs +Rg +RsRgCS ）（11）c 22（S ）=-K g RsRg （/Rs +Rg +RsRgCS ）
（12）至此多变量对象已解耦成以C （S ）对角线元素组成的两个单变量对象，可按两个单回路整定。现场试验数据如下：
Rs =3. 1，Rg =16，C =2. 3，Ks =2. 5，Kg =2. 1，将数据代入相应传递函数：
c 11（S ）=0.4（1+37S ）（/1+6S ）
（13）c 22（S ）=-5. 4（/1+6S ）
（14）
利用总和时间常数的整定法以c 11（S ）、c 22（S ）为对象进行整定，考虑到：其总和时间常数出现负值，所以其前加校正环
节：。1（/1+35S ）
分别求得各自的T ，利用表1整定结果分别如下：Ko ，调节器T 1：Kp 1=2. 5，Ti 1=2. 6，Td 1=0. 66调节器T 2：Kp 2=0. 2，Ti 2=4，Td 1=1仿真结果如图6和图7
所示。
图$最终的控制系统框图
引入总和时间常数法对解耦后的等效对象进行整定，2）
方法简便易行，有推广价值。
仿真结果表明，最终组成的控制系统，工程上易于实3）
现，控制质量好，能够满足工程要求。
图!
送风定值阶跃扰动下的反应曲线
参考文献：
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［4］丁轲轲，刘久斌，等. 热工过程自动调节［M ］. 中国水利水电出版
社，2000-
8.
图"
炉膛压力定值阶跃扰动下的反应曲线
［作者简介］
最终的控制系统框图如图8。
刘久斌（1962-），男（汉族），江苏南京人，江苏大学
博士生，南京工程学院副教授，研究方向：动力系统控制与仿真；
#结论
锅炉燃烧送引风控制系统作为多变量考虑符合实际1）
李德桃（1934-），男（汉族），湖南茶陵人，江苏大学
博士生导师，教授，研究方向：燃烧过程建模与仿真，
曾任国家自然科学基金委员会学科评审组成员。
情况，解耦后的系统能消除系统间的相互影响，使控制更加
合理。
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
（上接第95页）
A ProposaI for the Next Generation HLA based of the ModeI Driven Ar-［M ］chitecture . 2002FaII SimuIation InteroperabiIity Workshop ，02F -SIW -004，November 2002.
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（2）：3-
5. 2003，29
［作者简介］
韩超（1979-），男（汉族），山东章丘人，博士研究生，
研究方向为先进分布仿真技术；
黄健（1971-），女（汉族），浙江绍兴人，汉，博士，讲
师，研究方向为分布交互式仿真支撑框架和通用仿真机软件；
黄柯棣（1940-），男（汉族），湖南长沙人，教授，博士生导师，中国计
算机用户协会仿真机分会荣誉理事，《计算机仿真》编委会顾问，主要研究领域为系统仿真、虚拟现实、控制理论与工程。
—151—
基于总和时间常数法的送引风控制系统仿真
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
刘久斌， 李德桃
江苏大学能源与动力工程学院,江苏,镇江,212013计算机仿真
COMPUTER SIMULATION2004,21(7)
参考文献(4条)
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1. 韩耀鹏. 付兴武. 蒋勇英 工业锅炉燃烧过程智能控制系统[期刊论文]-微计算机信息(测控仪表自动化)2004(3)2. 傅红普 继电控制系统仿真技术研究[学位论文]2006
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引用本文格式：刘久斌. 李德桃 基于总和时间常数法的送引风控制系统仿真[期刊论文]-计算机仿真 2004(7)
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