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1、动力系统控制原理,动力系统模型与分析,动力系统控制原理,控制系统基本概念 控制系统数学表达的方式 控制系统时频分析 动力系统模型描述,控制系统基本概念,系统结构和性能指标,开环控制系统 控制系统的输出对系统的控制作用没有影响。 按给定值进行控制 按扰动补偿进行控制 闭环控制系统 控制系统的输出对系统的控制作用有影响，即控制器的输出作用于控制对象，控制对象的输出（系统的输出）将送回到控制器，控制器根据偏差进行控制。因此，又称为反馈控制。 复合控制 在一个控制系统中同时采用开环控制和闭环控制。 开环控制粗调 闭环控制细调,自动控制系统的基本形式,反馈控制系统的组成,控制对象：被控制的设备或过程（冷
2、却器）。系统的输出就是指被控对象的输出（或称被控量）。 控制器（或称调节器）：根据偏差按一定规律输出控制量，送至执行机构。它有两个输入，即设定值输入和测量值输入。偏差=设定值测量值 执行器（执行机构）：接受控制器送来的控制信号，驱动调节机构，作用于被控对象。 测量变送器（测量单元）：将被控对象的物理输出量，即 被控量转换为标准信号输出（也称测量输出），送到调节器，作为反馈信号。,柴油机气缸冷却水温度手动控制过程,冷却器,三通阀,淡水泵,主机,眼,脑,手,海水入口,海水出口,柴油机气缸冷却水温度自动控制过程,冷却器,三通阀,淡水泵,主机,手,海水入口,海水出口,温度变送器,调节器,执行机构,反馈
3、控制系统的结构框图,特点： 信号传递的单向性； 闭合回路（闭环系统）； 负反馈：反馈通道的信号与前向通道的信号相减。反之，则为正反馈。 控制单元根据偏差进行控制，因此又称偏差驱动。 若控制单元、测量单元和执行单元合为一体，则称为基地式控制仪表；若三者分开，则称为组合式控制仪表。,自控系统结构框图,e(t)偏差信号 e(t)=r(t)-b(t) y(t)被控量 p(t)控制量 f(t)扰动量,复合控制方框图,反馈控制系统的分类,按给定值的形式：定值控制、程序控制、随动控制 按动作方式：连续控制、断续控制 按控制精度：有差调节、无差调节 按变量数：单变量控制、多变量控制 按系统性质：线性控制系统、
4、非线性控制系统 按应用理论： 基于经典理论的控制 基于现代控制理论的控制（最优控制、自适应控制） 智能控制（模糊、神经、专家、自学习控制）,自动控制系统的状态,自动控制系统的稳态和动态 稳态被控量不随时间而变化的平衡状态（静态） 动态被控量随时间而变化的不平衡状态（瞬态） 自动控制系统的过渡过程：自动控制系统在动态过程中被控量随时间而变化的过程，或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。根据过渡过程的特点，控制系统可分为： 发散过程 等幅振荡过程 衰减过程 非周期过程,过程曲线基本类型,自动控制的性能要求,方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程曲线，分析系统过渡过程的各项性能指标。 采
5、用阶跃输入的原因： 信号的阶跃变化在实际中比较常见（近似阶跃变化） 阶跃信号的数学处理比较简单 阶跃输入对系统的工作最为不利 评定系统过渡过程性能指标的三个方面： 稳定性 准确性 快速性,自动控制系统的典型输入信号,自动控制的过渡过程性能指标,稳定性：系统受到扰动之后能够恢复到稳定状态的能力。实际控制系统，至少要求是率减过程或非周期过程，以率减为佳。评定指标：衰减率 ，衰减比N 定值控制系统：给定值不变，外部扰动发生阶跃变化； 随动控制系统：假定外部扰动不变，给定值阶跃变化。 准确性：被控量偏离给定值的程度。评定指标： 定值控制系统：最大动态偏差emax；静态偏差ys 随动控制系统：最大动态偏
6、差emax；超调量；静态偏差ys 快速性评定指标：过渡过程时间 ts从扰动发生到被控量又重新趋于稳定达到新的平衡态所需的时间。 此外还有振荡频率、振荡次数等。,自动控制的性能指标要求,定值控制： 动态偏差和静态偏差要小； 衰减率最好在0.750.9之间； 过渡过程时间要短 随动控制： 超调量要小； 过渡过程时间要短； 振荡次数要少,自动控制系统过渡过程曲线,自动控制系统过渡过程曲线,根据衰减率 的大小可以判定过渡过程的性质： 0，为发散振荡过程 =0，为等幅振荡过程 01，为率减振荡过程 =1，为非周期过程 最佳衰减率： =0.750.9,ys,发动机-调速器模型,动力系统特性分析,调速器工作
7、原理,调速过程,柴油机动态性能指标,1.稳定调速率 2.瞬时调速率 3.不灵敏度 4.转速波动率,机械式调速器结构,机械式调速器静力分析,作为自控系统的柴油机,柴油机动态方程 调速器动态方程 柴油机系统稳定性 柴油机系统动态特性 柴油机系统的分析假设前提,传统分析方法（小扰动分析）,根据达朗贝尔原理，柴油机的惯性力矩与所有作用于刚体的力矩的合力矩相等，即： 写成增量式：,输出扭矩是喷油量和曲轴角速度的函数，而喷油量与喷油泵齿条位置有关，故输出扭矩是齿条位置和曲轴角速度的函数，即： 将其泰勒展开，并线性化，得到：,一般情况下，阻力矩可以写成角速度和其负载特性的函数，类似地，也可展开成：,根据小扰
8、动线性化： 结合前面推导可得： 令： 公式变化为：,根据前面的推导： 与额定工况进行比较，令： 得到： 针对额定工况，统一除以额定扭矩,根据 设定参数： 柴油机加速时间常数，指空载条件下，喷油泵齿条在额定供油量位置，柴油机从速度为零到达额定转速需要的时间。 柴油机自稳定系数，指没有调速器时，柴油机自动维持转速稳定的能力。 发动机特性系数，表示发动机喷油泵齿杆单位行程引起的输出转矩变化大小。 阻力矩系数，表示发动机阻力矩变化的大小 得到公式：,对于公式： 简化处理认为 ， 是柴油机负载变化量相对于标定工况即额定工况下负载的比值，其值范围为01。 将式进行拉氏变换，得到：,至此，我们可以得到柴油机
9、转速与齿条位移及负载变化率（可以视为扰动）的关系。 柴油机是周期性工作的，从喷油泵齿条位移改变到柴油机发出相应地扭矩必然有延迟时间。因此，还需在上式加入一个延时环节，假定为纯滞后环节；此外，柴油机的输出转速与喷油泵齿条位移之间应有一个放大环节，设放大倍数为K，则上式变为：,公式中几个参数的确定,延迟时间： 喷油开始于发火上止点之前，而柴油机在发火上止点之后开始做功，最大扭矩发生在上止点之后约90曲轴转角处，这会造成时间滞后;此外，当齿条位移变化时，若某缸恰好喷油完毕，则此时其工作扭矩与齿条位移无关，这段延迟时间取决于柴油机的转速、气缸数以及冲程数。可用下式估算： 自平衡系数Tg： 理想化地，使
10、柴油机自平衡系数为1 加速时间常数Ta: 由下式计算：,柴油机大范围变动下的动态分析,根据达兰贝尔原理：,柴油机扭矩的速度特性,扭矩与速度的关系比较复杂，为简单起见，近似为线性,柴油机动态方程,动态方程为： 传递函数为：,柴油机动态特性,引入控制器后的柴油机特性,负载的动力特性,船用负载 车用机负载 发电机负载,带负载的柴油机动态特性,柴油机自身是一个稳定性较弱或不稳的的系统，但是带负载的柴油机系统由于引入了负载的动力特性，使得整体的动态稳定特性有较大改善。,调速器设计,以柴油机的传递函数为目标采用经典控制方法设计控制器方程 设计机械式结构满足控制器方程要求,机械式调速系统,机械式调速器方程：
11、 油泵特性：,机械调速柴油机调速过程,调速设计的假设及误差,柴油机动力特性的线性假设 调速器特性的线性假设 油泵特性的线性假设,柴油机线性假设的误差,柴油机系统的动态特性,从试验结果可以看到，柴油机的机械式调速存在着超调量较大、静态误差明显的特点。并且，这种特点在不同调速工况的表现程度也不同。,动态特征分析,柴油机的动力特性是非线性的，在设计、分析简化时采用了简单线性化的方法，造成了一定误差，并且这种误差在柴油机传递函数上影响较大。 飞锤式机械调速器的稳定性系数Fp是一个变量，随着转速和负荷会发生一定变化，因此，严格意义上机械式调速器也是一个非线性系统。 机械式调速器是一个不包含0极点的二阶系统，所以整个发动机系统是一个0型控制系统（即使设计为1型控制系统，在偏离设计点时，由于非线性因素影响，仍会变成0型系统），在调速过程中不可避免地存在着稳态误差,改善调速特性的方法,液压调速器 电子调速器 电子控制喷油 共轨式电控喷油,谢谢各位,2016,
