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第三章热工过程建模与实例分析
本章解决的问题了解常用环节的动态过程常用环节的数学模型形式与MATLAB建模–微分方程形式–传递函数形式–状态方程形式常用环节的动态模型辨识–理论分析方法建模–响应曲线法建模–观察序列参数辨识2
3.1水箱系统建模(传递函数形式)一、自平衡单容过程具有一个贮蓄容量且具有自平衡能力的过程1、水箱系统原理图及阶跃响应曲线阀1改变则q1改变;q1改变则h改变;h改变则q2改变3
2、动态平衡方程?微分方程与增量微分方程(3-1)式中:—分别为某一平衡状态的增量;q—水流量;A—水箱截面积;C—过程容量;4
?水箱流出流量与水箱液位和阀门阻力有关设q与h的变化关系是线性关系2(3-2)式中:R—阀2的阻力,称为液阻25
?联立(3-2)(3-3)得(3-3)?以微分方程形式建立Simulink仿真图见danshuixiang.mdl6
?将(3-1)式进行拉氏变换为?将(3-2)式进行拉氏变换为(3-4)(3-5)7
3、单容液位过程的传递函数与方框图画出方框图为8
?推导液位与进水流量间的传递函数–将(3-5)代入(3-4),得到(3-6)(3-7)(3-8)9
?传递函数(3-9)对应MATLAB的Simulink库的Continuous库的TransferFcn式中T=RC液位过程的时间常数;12K=R液位过程的放大系数1210
确定单水箱对象的特性参数液阻?R=0.9(阀门阻力)液容?C=A=5X5=25m(水箱截面积)2时间常数?T=RC=0.9X25=22.5s放大系数?K=R=0.9m/(m决于输入与输出的单位)3/s)(可以无单位也可以有单位,取11
将水箱特性参数带入方程进行特性仿真?微分方程?传递函数?建仿真模型:打开danshuixiang.mdl文件12
二、自平衡双容过程1、水箱系统原理图及阶跃响应曲线注意:第二个水箱的输入量已经不是阶跃输入13
2、动态平衡方程?增量微分方程(3-10)(3-11)(3-12)(3-13)14
?将微分方程进行拉氏变换,推导输入量是Q(s),1输出量是H(s)的传递函数2–将(3-11)代入(3-10)代换掉△h1(3-14)–将(3-13)代入(3-12)代换掉△q3(3-15)15
2.1各单容环节单独求取传函–整理(3-14)式,并进行拉氏变化,得到(3-16)(3-17)(3-18)16
–将(3-15)式进行拉氏变化,得到(3-19)(3-20)17
2.2双容液位过程的传递函数与方框图?画出未代换的方框图为?传递函数(观察实例库中的erjie仿真)(3-21)18
2.3联立求取传递函数–将(3-15)代入(3-14)代换掉△q2(3-22)–整理(3-22)式,得到(3-23)19
2.4双容液位过程的综合传递函数–再整理(3-23)式,得到(3-24)(3-25)–进行拉氏变换(3-26)20
确定双水箱对象的特性参数液阻?R=R=R=0.9(阀门阻力)1液容23?C=C=A=A=5X5=25m(水箱截面积)21时间常数212?T=T=RC=RC=0.9X25=22.5s1放大系数21122?K=K=R=R=0.9m/(m3/s)(可以无单位也可以有1单位,取决于输入与输出的单位)21221
将水箱特性参数带入方程进行特性仿真微分方程(带入参数)–第一个水箱的微分方程22
将水箱特性参数带入方程进行特性仿真微分方程(带入参数)–第二个水箱的微分方程23
将水箱特性参数带入方程进行特性仿真传递函数–带入参数(3-26)?建立仿真模型shuangshuixiang.mdl24
三、滞后过程1、水箱系统原理图及阶跃响应曲线q增加后要流经1L长的管道(滞后τ时间)才0能流入水箱25
2、动态平衡方程与传递函数h的响应总是滞后q一个τ时刻增量微分方程0(3-27)传递函数(3-28)式中τ—过程的纯滞后时间026
将水箱特性参数带入方程进行特性仿真建立滞后环节仿真–打开shuangshuixiangzhihou.mdl27
改变输入量观察水箱系统的输出变化输入端加入方波双水箱:shuangshuixiang.mdl带滞后双水箱:shuangshuixiangzhihou.mdl28
第二节热力系统建模(状态方程形式)一、热力系统的热容与热阻?热容设输入某物体的热流为q(t),输出热流为q(t),在t到tin时间间隔内,此物体蓄热为out0(3-29)(3-30)(3-31)此时物体温度对(3-30)微分式中,C就是这个物体的热容29
?热阻设从一个具有温度θ
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