沼气均衡供气开关设计

1、沼气均衡供气开关设计学生：王龙祥学号：20051050134内彖简介:一、背景资料二、实际问题的提出三、设计方案四、设计方法选取五、采用根轨迹超前校正设计法设计六、设计结论一、背景资料目前，世界各国已经开始将沼气用作燃料和用于照明。用沼气代替汽油、柴油，发动机器的效果也很好。 将它作为农村的能源，具有许多优点。例如，修建一个平均每人1-1. 5平方米的发酵池，就可以基本解决一年 四季的燃柴和照明问题；人、畜的粪便以及各种作物秸秆、杂草等，通过发酵后，既产生了沼气，还可作为肥料, 而且由于腐熟程度高使肥效更高，粪便等沼气原料经过发酵后，绝大部分寄生虫卵被杀死，可以改善农村卫生条 件，减少疾病的传

2、染。现在，沼气的应用正在各国广大农村推广，沼气能源的开发利用的普及等方面，已经取得 了较好的成绩。专家们认为，21世纪沼气在农村之所以能够成为主要能源之一，是因为它具有不可比拟的特点，特别是在 我国的广大农村，这些特点就更为显著了：(1)沼气不仅能解决农村能源问题，而且能增加有机肥料资源，提高质量和增加肥效，从而提高农作物产量,1a永l炉2改良土壤；(2)使用沼气，能大量节省秸秆、 干草等有机物，以便用來生产牲畜饲料和作为 造纸原料及手工业原材料；(3)兴办沼气可以 减少乱砍树木和乱铲草皮的现象，保护植被， 使农业生产系统逐步向良性循环发展；(4)兴 办沼气，有利于净化环境和减少疾病的发生。

3、这是因为在沼气池发酵处理过程中，人畜粪便 屮的病菌大量死亡，使环境卫生条件得到改 善；(5)用沼气煮饭照明，既节约家庭经济开 支，又节约家庭主妇的劳作时间，降低劳动强 度；(6)使用沼肥，提高农产品质量和品质， 增加经济收入，降低农业污染，为无公害农0 6 4 2 18 6 4 1111 o o o o ojomdsoune pjepueso>nssaadu-epejll沼气池日均用气气压变化二、实际问题的提出图二、沼气日均用气气压变化曲线 问题：在使用沼气的过程中，随着沼气池内气压的不断降 低，供气气压也会跟着不断降低。由此导致用气设备 发生一系列不稳定的变化。解决方案：1015202

4、5设计一个自动控制系统，保证在一定的气压范围内输出气压恒定的沼气。三、设计方案气压图三、气压控制的闭环系统假定在沼气池气压不低于预期气压的情况下，设计的目标（步骤1）是设计一个能得到稳定沼气气压输岀的系统。（步骤2）要控制的变量是气压。控制系统的 设计指标（步骤3）就是使输出气压值逼近用户输入的气压预设选项所对应的气压值。（步骤4）给出系统的初步 配置。图三所示的闭环系统是由一个电位器、一个直流反馈放大器，一个电动阀门和一个压敏电阻来调节输出气 压的设计原理图。图四将进一步给出系统的框图模型。预期气压 +(輕)电动控制装置111执行机构对象直流放大器1直流电机>供气阀门厂偏差»

5、实际 气压传感器测量气压（电压）模型初始化各器件的传递函数：直流放大器：k = 54电动阀门（电枢）：g = g1xg2gl(s)=10s+ 1g2（s）=2s + 0.5图五、系统框图传感器：h = 1（附注：直流电机采用了电枢控制小马力直流电机模型p46. p58现代控制系统richard c.dorf）四、设计方法选取用matlab控制系统仿真集成环境simulink6.0对图五进行阶跃响应测试:图六是simulink仿真图，图七则给出了仿真结果。 结果显示：系统的超调量和调节时间都还不够理想，需要进行校止设计。图六、simulink仿真图图七、scope显示的系统的阶跃响应设计方法选取

6、：超前校正设计方法适用于要求稳定 性好，超调量小以及动态过程响应快 的系统。这正好可以解决上述分析中 出现的问题。进一步考虑到，系统很 小，并且对控制精度要求并不是很 高，故采用根轨迹法。于是，设计方 法采用根轨迹超前校正设计法。五、采用根轨迹超前校正设计法设计注：本设计采用了根轨迹超前校正设计的几何法系统设计：540首先，据已知得到单位负反馈系统被控对象的传递函数为：g0(s) = 了 s “卧(s + l)(2s+ 0.5)然后，确定设计方案：试用根轨迹几何法对系统进行超前串联校正设计，(1) 阶跃响应的超调量a%<20%；(2) 阶跃响应的调节时间ts<1.2s设计过程：1、

7、确定希望极点在s复平面上的位置根据题意，要求超调量o%w20%,用以下matlab语句求匚。sigma=0.2;zeta=(log(l/sigma)a2/(pi)a2+(log(l/sigma)a2)a(l/2)可以求得匚为：zeta = 0.4559，即匚 2 0.4559,取匸=0.5,由 ts(5%) = - = 13可得3口 = 6rad/s然后根据根轨迹法则，给出以下matlab语句求在s平面上希望极点的位置。zeta=0.5;w n=6;p=l 2*zeta*wn wn*wn;roots(p)运行以上matlab语句，求得根:ans= -3.0000 + 5.19621-3.000

8、0-5.1962i即希望极点的位置为sl2 = -3.0000 15.196212、求校正补偿器的传递函数根据根轨迹超前校正设计的几何法理论，编制程序计算校正器的传递函数。%matlab program trancl.m,计算校正器的传递函数。 clear;clc;sl=-3.0000+5.1962i;ng=540;dg=conv(l 1,2 0.5);ngv=polyval(ng,sl);dgv=polyval(dg,sl);g=ngv/dgv;theta=a ngle(g);if theta>0;phic=pi-theta;end;phi=a ngle(sl);thetaz=(phi

9、+phic)/2; thetap=(phi-phic)/2;运行程序后，可得校正器的kc与传递函数:kc = 0.2077transfer function:s + 3.503s +10.28zc=real(sl)-imag(sl)/ta n(thetaz); pc=real(sl)-imag(sl)/ta n(thetap); nc=l -zc;dc=l -pc;n v=polyval( ncsl); dv=polyval(dc,sl);kv二nv/dv;kc=abs(l/(g*kv);if theta<0;kc=-kc;end; disp('kc=');disp(kc

10、);gc二tf(nc，dc); display(gc);那么校正后系统传递函数为:gq(s)gc(s)=540540s + 3.503540=0.2077(s + l)(2s + 0.5)*s +10.28(3)校检校正器计算是否符合要求根据校正后的结构与参数，编写调用函数perf()的程序 tranc2.m来计算时域性能指标。%matlab program tranc2.m,计算校止后的系统的时域按根轨迹校上后系统的阶跃响应性能指标。clear;global y tsl=tf(0.2077*540/conv(l 1,2 0.5);0.20.40.60.81.21.41.61.8s2=tf(l

11、 3.503jj110.28) sope=sl*s2;sys=feedback(sope,l); step(sys);y,t=step(sys);sigma,tp,ts=perf(l,y,t);运行该程序，可得系统单位阶跃响应曲线 如图八所示,并有超调量a %=31.2902%；峰值时间tp=0.5297s;调节时间ts=0.8575s.即校正后系统的阶跃响应品质指标是：调节时间ts=0.8575s<1.2s,调节时间已满足要求;超调量。%=31.2902%>20%,没有达到要求。%计算系统单位阶跃给定响应性能指标(超调量、峰值时间、调节时间)%的函数perf ()%matlab

12、fuction program perf.m%count sigma and tp%调用格式:sigmaztp,tsfunction sigma,tp,ts=perf(y,t)mpztf=max(y);cs=le ngth(t);yss=y(cs)；sigma=100*(mp-yss)/ysstp=t(tf)%count tsi=cs+l;n=0;while n二二0,i=i-l;if i=l,n=l;(4)重新选择冬36再求校正器的传递函数并校验是否已满足要求重选 «二06可得 u)n=5rad/so再计算求得校正补偿器的传递函数:0.1477即有校正后的传递函数g0(s)gc(s

13、)=540(s + l)(2s + 0.5)kcelseif y(i)>1.05*yss, n 二 1;endendtl=t(i);cs=len gth(t);j=cs+l;n=0;s + 2.722s + 9.1830 1477心竺 (s + l)(2s + 0.5) s + 9.183按以上计算,仍然要校验阶跃响应的品质 指标。经计算，得改变参数后系统的阶跃 响应曲线如图九所示。并有：超调量 0 %= 24.2640%；峰值时间tp= 0.6357 s;调节时间ts二1.0594 s.超调量o %= 24.2640 %>20%,仍没有达到 要求。step response1.4

14、0.80.60.4图九、匚=0.6时系统的阶跃响应“0.2°00.511.522.5再次重新选择、3®再求校正器的传递函数并校验是否已满足要求：重选 5=0.65,可得 wn= 4.6154 rad/so<s + as + z 434再次计算求得校正补偿器的传递函数：gccs) = (s) = 01264 s十& 75z即有校正后的传递函数:g。 gc(s)=540(s + l)(2s + 0.5) kc(s)1.41.210.80.60.40.2000.20.40.60.811.21.41.61.82step ftesponseq ”540s + 2.43401 64 (s + l)(2s + 0.5) + 8.752按以上计算，仍然按要求校验阶跃响应的品质 指标。经计算，得改变参数后系统的阶跃响应 曲线如图十所示。并有：超调量。%= 21.8458 %；峰值时间tp= 0.7063 s;调节时间ts= 1.2008