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1、热工过程自动调节 2010年期末复习,华南理工大学电力学院,第一章自动调节的基本概念,第一节 自动调节的实现方法 第二节 自动调节的常用术语 第三节 系统方框图 第四节 自动调节系统的分类 第五节 自动调节系统的性能,自动调节的常用术语(一),被调对象 指被控制的生产设备或生产过程。 被调量 表征生产过程是否正常而需要维持的物理量。 给定值 根据生产工艺要求，被调量应该达到的数值。 扰动 引起被调量偏离其给定值的各种原因。,自动调节的常用术语(二),调节机关 改变对象流入量或流出量的机构，如上例中给水控制阀。 调节作用量 由控制作用来改变,以控制被控量的变化,使被控量恢复为给定值的物理量。,调
2、节术语图解,被调对象,被调量,信号线：用箭头表示信号“x”的传递方向的连接线。 汇交点 (相加点、综合点)：表示两个信号“x1”与“x2”的代数和。 分支点(引出点)：表示把信号“x”分两路取出。 环节：方框图中的一个方框(代表能完成一定职能的元件)。,方框图的四个要素,按调节系统结构分类,四种典型的输入函数,阶跃函数,单位脉冲函数,斜坡函数,正弦函数,典型调节过程,主要性能指标,稳定性 准确性 动态偏差 静态偏差 快速性,第二章 自动调节系统的数学系统,第一节 系统和环节的特性 第二节 拉普拉斯变换 第三节 传递函数 第四节 脉冲响应和阶跃响应 第五节 基本环节及环节的连接方式,系统和环节的
3、特性,系统(或环节)特性：系统(或环节)的输出与输入信号的关系。 静态特性：平衡状态时，输出信号和引起它变化的输入信号之间的关系。 动态特性：在不平衡状态时，输出信号和引起它变化的输入信号之间的关系。,环节静态特性举例,动态数学模型的建立,当u1变化时： u1ii对C充电u2增大，至u2u1时充电结束,同类环节与相似系统,同类环节：数学模型相同，环节因果关系类同。 相似系统：具有相同形式的数学模型，而物理性质不同的系统。,同类环节,相似系统,电气系统,质量-弹簧-摩擦系统,近似线性化小偏差法,输出量y是输入量x的非线性函数则 在平衡点(x0,y0)处，将F(x)展开成泰勒级数 令 如果偏差x很
4、小，可以略去级数中偏差的高次幂项,拉普拉斯变换的性质和定理(一),线性性质 微分定理 积分定理,拉普拉斯变换的性质和定理(二),初值定理终值定理 位移定理(左移) 延迟定理(左移) 卷积定理,拉普拉斯反变换的部分分式展开法,-s1， -s2， -sn，为R(s)=0的根 R(s)=0无重根,R(s)=0有重根,传递函数,定义：在线性定常系统中，初始条件为零时，环节输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比，称为环节的传递函数。 特点：各项系数值完全取决于系统(或环节)的本身特性，与输入信号大小、形式无关。 N阶系统(或环节) ：分母中S的最高阶数等于n,几种典型的传递函数,RC电路 热电偶测温
5、 质量-弹簧-摩擦系统 蓄水箱系统,传递函数的性质,是复变量s的有理真分式函数，其分子多项式次数m低于或等于分母多项式次数n，所有系数均为实数； 描述动态特性的数学模型，表征系统(或环节)的固有特性，与输入信号的具体形式、大小无关，不能表达系统(或环节)的物理结构； 只能一个输入对一个输出的关系； 分母是系统的特征方程，能判断动态过程的基本特征。,单位阶跃响应函数,设输入信号为： 若环节的传递函数为G(s)，则它的阶跃响应为 RC电路单位阶跃响应函数,比例环节,特点： 输出信号c(t)与输入信号r(t) 之间的动态关系和静态关系都是简单的比例关系； 输入信号r(t) 与输出信号c(t) 两个时
6、间函数具有完全相同的形式； 输出信号无迟延、无惯性、按比例(系数K)复现输入信号变化。,积分环节,特点： 输出量反映输入量对时间的积分； 只有输入量为零时，输出量才不变化，且能保持在任何位置上； 输出的变化量相对于输入的变化有迟延性。 积分环节的阶跃响应曲线,惯性环节(非周期环节),特点： 输入为阶跃函数时，输出按指数上升； 从曲线起始阶段看，与积分环节类似 ；从曲线的最后结果看(即从静态看)，与比例环节类似 ； 输出量不能立即反映输入量的变化，对输入量的反应具有惯性。 一阶惯性环节的阶跃响应曲线,微分环节,理想微分环节 特点： .输出量与输入量的变化速度成正比例。 .对于输入量的变化，输出量
7、具有“超前”作用。 实际微分环节,纯迟延环节,特点： 输出量大小重复输入量(变化规律完全相同)，但在时间上，输出量落后输入量一段时间0。,环节的基本联接方式(一),串联 并联,环节的基本联接方式(二),反馈 传递函数： 负反馈时，当正向环节放大倍数很大时，,方框图的等效变换,变换必须是等效的，变换前后的传递函数保持不变。 变换原则： 相邻相加点之间的移动； 相邻引出点之间的移动； 相加点后移； 相加点前移； 引出点后移； 引出点前移。,相邻相加点、引出点的交换原则,相邻相加点之间可以任意交换次序。 相邻引出点的次序可以任意改变。,环节前、后汇交点的移动,相加点后移：相加点点移到相邻环节G(s)
8、之后，在被移动支路中串联G(s)。 相加点前移：相加点移到相邻环节G(s)之前，在被移动支路中串联1/G(s)。,环节前、后引出点的移动,引出点后移：引出点移到相邻环节G(s)之后，在被移动支路中串联1/G(s)。 引出点前移：引出点移到相邻环节G(s)之前，在被移动支路中串联G(s)。,系统方框图的等效变换,在方框图化简过程中，必须满足： (1)正向环节的传递函数的乘积必须保持不变； (2)闭合回路中传递函数的乘积必须保持不变。 方框图简化的一般原则为移动汇交点或分支点，以减少交叉回路。,2020/8/13,第三章 热工对象和自动调节器,第一节 热工对象动态特性 第二节 调节器的动态特性 第
9、三节 工业调节器调节规律的实现方法 第四节 工业调节器简介,2020/8/13,具有一个被调量的对象,2020/8/13,具有几个被调量的调节对象,调节对象被划分成若干个独立的调节区域，每一个调节作用只对一个被调量其作用； 具有多个被调量的调节对象有相应个数的调节作用，被调量或根据工艺生产过程的要求，互相之间必须保持一定的关系，或通过共同的调节对象相互起影响，但不能独立调节,2020/8/13,对象的自平衡能力： 对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏，无需外加任何调节作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为对象的自平衡能力。 实质：对象输出量变化对输入量发生影响的结果
10、，或者说，对象内部存在着负反馈。,有自平衡能力的对象(一),2020/8/13,有自平衡能力的对象(二),特征参数： 自平衡率： 时间常数Tc (飞升速度)： 迟延时间： 有自平衡能力的对象： 特征参数变化对阶跃响应的影响,2020/8/13,有自平衡能力的对象(三),一阶惯性对象 具有跃变特性且有自平衡能力对象,2020/8/13,无平衡能力的对象,特征参数 传递函数,2020/8/13,PID调节,2020/8/13,比例(P)调节器,动态方程： 传递函数： 阶跃响应曲线： 整定参数： 比例带：当调节机构的位置改变100%时，偏差应有的改变量。,2020/8/13,比例积分(PI)调节器,
11、动态方程： 传递函数： 阶跃响应曲线 整定参数： 、TI 。 积分时间TI ：调节器的输出为比例作用所造成的变化加倍所需要的时间。,2020/8/13,比例微分(PD)调节器,理想PD调节器： 动态方程： 传递函数： 响应曲线： 整定参数：、Td 。,2020/8/13,实际调节器,实际PD调节器 实际PID调节器,2020/8/13,调节器的调节规律,PID调节器的基本调节作用 比例调节作用(简称P作用) 微分方程： 传递函数： 动作规律：根据偏差的大小进行调节。 特点： 调节及时，能有效地抑制扰动； 调节过程结束后有静态偏差。,2020/8/13,积分调节作用(简称I作用),微分方程： 传
12、递函数： 动作规律：根据偏差的方向进行调节。 特点： 能实现无差调节； 会造成过调，引起被调量振荡。,2020/8/13,微分调节作用(简称D作用),微分方程： 传递函数： 动作规律：根据偏差的变化趋势进行调节。 特点： 具有“超前”偏差变化量的作用 。 过程结束后 ，故不能单独使用。,2020/8/13,实际PID控制器,动态方程： 传递函数： 阶跃响应曲线： 整定参数：、 Ti 、Td 。,2020/8/13,不同类型调节器时内扰阶跃扰动的被调量响应曲线,2020/8/13,第四章 系统时域分析,第一节 概述 第二节 二阶系统分析 第三节 调节系统的稳定性与代数判据,2020/8/13,瞬
13、态响应和稳态响应,调节系统微分方程： 输入信号为： 输出信号c(t)微分方程： 非齐次微分方程解： c1(t)为齐次方程：的通解,瞬态响应,稳态响应,2020/8/13,二阶系统分析,1. 二阶系统方框图： 2. 二阶系统的传递函数： 特征方程式： 随着的不同，二阶系统的特征根也不同。 二阶系统单位阶跃响应曲线如图4-2所示(P79)。,二阶单位响应,无阻尼情况(=0) 即特征方程的两个根位于虚轴上 输入为单位阶跃 无阻尼二阶系统单位阶跃响应,欠阻尼情况(01),特征方程的两个共轭复根 输入为单位阶跃 欠阻尼二阶系统单位阶跃响应,实部模值，衰减系数，角频率量纲,阻尼振荡频率,欠阻尼二阶系统的单
14、位阶跃响应曲线,包络线的方程 阻尼振荡频率d(特征根的虚部) 振荡周期 n=const， ，TK越长,临界阻尼情况(=1),特征方程的两个相等的负实根 输入为单位阶跃 临界阻尼二阶系统单位阶跃响应,过阻尼情况(01),特征方程的两个共轭复根 输入为单位阶跃 欠阻尼二阶系统单位阶跃响应,过阻尼二阶系统单位阶跃响应,c2(t),c11(t),c12(t),二阶其它传递函数形式,传递函数的分子部分不相同 分母部分是一样的，即特征方程式相同 阶跃响应特性的基本形式是一样的,2020/8/13,时域性能指标（一）,具有衰减振荡的单位阶跃响应曲线 上升时间tr：响应从稳态值的10%到第一次达到稳态值90%
15、所需的时间。 峰值时间tp：输出响应超过稳态值而达到第一个峰值所需时间。 延迟时间td：输出响应第一次达到稳态值的50%所需的时间。 衰减率 ：,2020/8/13,时域性能指标（二）,调整时间ts：输出量y(t)和稳态值y()之间偏差达到允许范围(一般取2%或5% y()并维持在此允许范围以内所需的最小时间。 最大超调量Mp：暂态过程中输出响应的最大值超过稳态值的百分数。即 振荡次数N：,2020/8/13,时域性能指标（三）,衰减指数,2020/8/13,二阶系统的暂态响应分析（一）,1.典型二阶系统方框图： 2.典型二阶系统的传函： 特征方程式： 随着的不同，二阶系统的特征根也不同。 二
16、阶系统单位阶跃响应曲线如图所示。,2020/8/13,二阶系统的暂态响应分析（二）,3.欠阻尼情况(01)的暂态响应分析： 当输入信号为单位阶跃函数时，系统输出量的拉氏变换为,2020/8/13,二阶系统的暂态响应分析（三）,4.欠阻尼二阶系统、n和d之间的关系： ：极点到虚轴的距离 ：极点到实轴的距离 n为极点到原点的距离。 设os1与负实轴夹角为，则：,2020/8/13,二阶系统的暂态响应分析（四）,5.欠阻尼情况(01)的暂态性能指标： (1)上升时间tr： (2)峰值时间tp：,2020/8/13,二阶系统的暂态响应分析(五）,(3)超调量Mp% ： (4)调整时间ts： 在达到稳态值之前，c(t)在 两条包络线之间振荡，包络线衰 减到0.05或0.02时系统稳定。即：,2020/8/13,二阶系统的暂态响应分析（六）,.5%误差带：
