04-自控儀表(動(dòng)態(tài)特性)

1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 1 3 1基本概念 已了解的概念 自動(dòng)控制原理對(duì)系統(tǒng)的基本要求過渡過程品質(zhì)指標(biāo) 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 1基本概念 新問題的提出 怎樣的系統(tǒng)才能滿足以上基本要求 邁騰 奇瑞qq 梟龍 米格 15 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 1基本概念 問題初步結(jié)論 好的自動(dòng)控制系統(tǒng)與控制方法 能夠被很好控制的工藝系統(tǒng) 問題討論 如何比較上述系統(tǒng)的優(yōu)劣 任務(wù) 使過程控制系統(tǒng)在控制受控過程時(shí)具有穩(wěn)定性 準(zhǔn)確性和快速性 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 1基本概念 前提 分析研究受控過程狀態(tài)的可控性及其影響因素 實(shí)施 按照受控對(duì)象所特有的客觀規(guī)律進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì) 目的 控制系統(tǒng)運(yùn)行效果滿足最終的需要 問題分析 不同的受控對(duì)象 在接受自動(dòng)控制系統(tǒng)作用時(shí) 表現(xiàn)各不相同 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 1基本概念 分析研究受控過程的基本特性 例如 水池灌水房間控溫 為更好地進(jìn)行研究 先建立一些概念 隔離體 在過程控制中 可以把受控對(duì)象看作一個(gè)隔離體 隔離體具有自己的界面 該界面處一定有與過程控制有關(guān)的物質(zhì)或能量的輸入與輸出 例如 水池 容積式加熱器等 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 1基本概念 物量 能量平衡 在過程控制中 一定有與過程控制有關(guān)的物質(zhì)或能量 通過界面進(jìn)入或輸出隔離體 當(dāng)且僅當(dāng)物質(zhì)或能量的流動(dòng)達(dá)到平衡時(shí) 受控對(duì)象才會(huì)保持平衡穩(wěn)定的過程狀態(tài) 例如 水池水位的穩(wěn)定 以流入及流出的水量達(dá)到平衡為前提 容積式加熱器水溫的穩(wěn)定 一定以流入及流出的熱量達(dá)到平衡為前提 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 1基本概念 物量 能量控制 在受控對(duì)象界面內(nèi) 一旦物質(zhì)或能量的平衡被打破 想要依靠自動(dòng)控制系統(tǒng)改變受控過程的狀態(tài) 使其達(dá)到新的平衡 就必須對(duì)流入流出受控對(duì)象的物質(zhì)或能量加以控制調(diào)整 例如 水池水位變化需調(diào)整水流量 容積式加熱器需調(diào)整熱媒蒸汽量等 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 1基本概念 平衡時(shí)間 在過程控制中 受控過程從一個(gè)平衡狀態(tài)到另一個(gè)平衡狀態(tài)往往需要一定的時(shí)間 這就是說 一般受控參數(shù)的變化比較緩慢 時(shí)間往往以分鐘甚至小時(shí)計(jì)算 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 1基本概念 儲(chǔ)蓄容量 因?yàn)槭芸貙?duì)象往往具有很大的儲(chǔ)蓄容量 而流入 流出的物質(zhì)或能量的差額卻往往有限 例如 對(duì)于某個(gè)受控過程的受控參數(shù)為溫度時(shí) 流入 流出的熱流量的差額累積起來可以儲(chǔ)蓄在受控對(duì)象中 這時(shí) 受控對(duì)象表現(xiàn)為溫度升高 此時(shí)受控對(duì)象的儲(chǔ)蓄容量就是它的熱容量 熱容量大就意味著溫度變化過程不可能很快 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 1基本概念 純遲延 傳輸遲延 在過程控制中 受控對(duì)象往往表現(xiàn)純遲延 傳輸遲延特性 這是指受控過程的受控參數(shù)信號(hào)在傳輸過程中表現(xiàn)出的遲延特性 例如 對(duì)于容積式熱交換器熱水出口水溫恒定控制過程 溫度計(jì)應(yīng)盡可能安裝在離換熱器出口最近的位置 否則就造成了不必要的純遲延 它直接會(huì)影響到過程控制的快速性和穩(wěn)定性 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 1基本概念 1 3 2受控對(duì)象的容量特性 受控對(duì)象的容量 受控對(duì)象的容量是指在受控過程中 受控對(duì)象容納流入流出調(diào)控物質(zhì)或能量的能力 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 2受控對(duì)象的容量特性 例如 用同樣流量灌注不同大小的水池 若水池容積大 則灌滿水池的時(shí)間就長 反之 若水池容積小 則灌滿水池的時(shí)間就短 影響受控對(duì)象容量的因素 灌入同樣的水量 大水池的容積充滿程度變化甚微 對(duì)灌水反應(yīng)遲鈍 而小水池容積充滿程度變化顯著 對(duì)灌水反應(yīng)敏感 因此 其容量與水箱的有效容積有關(guān) 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 2受控對(duì)象的容量特性 影響受控對(duì)象容量的因素 還可得出這樣的結(jié)論 在灌注流量相同時(shí) 同等有效容積的水箱 其水位變化與橫截面積的大小有關(guān) 因此 當(dāng)受控過程的受控參數(shù)為水位時(shí) 受控對(duì)象的容量與截面積大小有關(guān) 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 2受控對(duì)象的容量特性 影響受控對(duì)象容量的因素 a 大容積水箱 b 小容積水箱 c 大截面積水箱 d 小截面積水箱 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 2受控對(duì)象的容量特性 容量系數(shù) 僅用 容量 的概念來表達(dá)受控對(duì)象的容量特性是不準(zhǔn)確的 因?yàn)?如果兩個(gè)水池 盡管其容積相同 但其截面積卻可以不同 當(dāng)灌入的流量完全相等時(shí) 截面積小的水箱水位變化快 截面積大的水箱水位變化慢 因此 僅用 容量 的概念并不能確切地表達(dá)受控對(duì)象容納調(diào)控物質(zhì)或能量的能力大小 為此 必須引入一個(gè)新的概念 容量系數(shù) 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 2受控對(duì)象的容量特性 容量系數(shù) 仍以圖1 10 a 的水箱為例來討論容量系數(shù)的物理意義 當(dāng)灌入流量 Qa1 與流出流量 Qa2 相等時(shí) 水箱的水位 Ha 處于平衡狀態(tài) 當(dāng)由于某種干擾使得灌入 Qa1 Qr 與流出 Qa2 Qc 的流量不相等時(shí) 水箱水位就會(huì)發(fā)生變化 升高或降低 液位的變化率dh dt與出入水箱流量的差額 Q Q 成正比 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 2受控對(duì)象的容量特性 Q2 從此例中可以初步定性地得出如下結(jié)論 受控對(duì)象的容量越大 對(duì)擾動(dòng)的反應(yīng)越慢 受控參數(shù)變化也越遲緩 這時(shí)相應(yīng)的控制系統(tǒng)比較容易控制 即對(duì)控制器的要求相對(duì)簡單 反之 受控對(duì)象的容量越小 對(duì)擾動(dòng)的反應(yīng)越靈敏 受控參數(shù)的變化越迅速 相應(yīng)的控制系統(tǒng)就難控制 對(duì)控制器的要求越復(fù)雜 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 2受控對(duì)象的容量特性 容量系數(shù) 容量系數(shù) 這里的C值 反映了受控對(duì)象的容量特性 因此稱之為容量系數(shù) 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 2受控對(duì)象的容量特性 容量系數(shù) 推而廣之 任何受控過程受控參數(shù)變化一個(gè)單位時(shí) 需要流進(jìn)或流出調(diào)控物質(zhì)或能量的變化量 稱為該受控過程的容量系數(shù) 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 2受控對(duì)象的容量特性 由于受控對(duì)象的各不相同 則受控過程需要流進(jìn)或流出調(diào)控物質(zhì)或能量的形式也不同 這就導(dǎo)致了不同受控對(duì)象的容量系數(shù)也有各自不同的含義 有關(guān)容量系數(shù)的結(jié)論 容量系數(shù)C值越大 受控對(duì)象抗干擾能力越強(qiáng) 等量調(diào)控物質(zhì)或能量對(duì)受控過程的影響越小 容量系數(shù)C值越小 受控對(duì)象抗干擾能力越弱 接受等量調(diào)控物質(zhì)或能量的反應(yīng)越靈敏 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 2受控對(duì)象的容量特性 1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 一 受控對(duì)象的阻力特性 一般的受控過程 都存在著對(duì)受控對(duì)象的控制作用和受控對(duì)象對(duì)控制的阻力作用兩個(gè)方面 不同的受控對(duì)象的受控過程 在同樣的調(diào)控物質(zhì)或調(diào)控能量作用下 有些受控過程變化大 而有些受控過程變化則較小 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 受控過程在同樣的調(diào)控物質(zhì)或調(diào)控能量作用下變化大的 可以認(rèn)為該受控過程的調(diào)控阻力小 反之 受控過程在同樣的調(diào)控物質(zhì)或調(diào)控能量作用下變化較小的 可以認(rèn)為該過程的調(diào)控阻力較大 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 通常情況下 受控對(duì)象的調(diào)控阻力用阻力系數(shù)R表示 阻力系數(shù)的大小與輸入受控對(duì)象的調(diào)控物質(zhì)或調(diào)控能量的增量成正比 與受控過程在調(diào)控物質(zhì)或調(diào)控能量作用下輸出量的變化量成反比 阻力系數(shù)R表示為 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 二 受控對(duì)象的自衡特性 在一些受控過程中 輸入受控對(duì)象的調(diào)控物質(zhì)或能量的變化將引起受控參數(shù)的變化 受控參數(shù)的變化又往往反過來作用于受控過程 影響受控過程的輸出量并使其發(fā)生變化 且該變化有利于受控參數(shù)在新的位置上重新穩(wěn)定 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 例如 以水箱為例 灌入流量Q1的改變將引起水箱水位H的變化 水箱水位H的變化又將作用于出水流量Q2 使Q2發(fā)生改變 出水流量Q2的變化 將減少灌入流量Q1與出流流量Q2的差 有利于水箱水位Ha在新的位置上重新穩(wěn)定 這種自身能夠重新獲得新的平衡的受控對(duì)象 稱為有自衡能力的受控對(duì)象 Q2 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 出水閥門開度越大 受控過程阻力越小 較小的水位變化就可使水箱出水流量有較大變化 有利于受控對(duì)象的自衡 反之 出水閥門開度越小 受控過程阻力越大 較大的水位變化才能使水箱出水流量有明顯變化 不利于受控對(duì)象的自衡 出水閥門開度為零 受控過程的阻力為無窮大 此時(shí)無論水位如何變化 都無法改變水箱出水流量的大小 受控過程無自衡能力 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 在另一些受控過程中 輸入受控對(duì)象的調(diào)控物質(zhì)或能量的變化也將引起受控參數(shù)的變化 但是受控參數(shù)的變化卻很少或不能影響受控過程輸出量的變化 也就是說 受控對(duì)象依靠自身能力的變化無法使受控參數(shù)在新的數(shù)值上重新穩(wěn)定 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 圖中 水箱出口有恒流泵 則無自衡能力 QI變化 H變化 H變化 QO不變化 水箱無自衡能力 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 在研究受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性時(shí) 一般都假設(shè)調(diào)控或干擾因素與受控參數(shù)的變化同步發(fā)生 也就是希望調(diào)控或干擾因素發(fā)生時(shí) 受控參數(shù)立即發(fā)生變化 受控參數(shù)在新的數(shù)值上穩(wěn)定下來所需的時(shí)間越短越好 這對(duì)提高調(diào)節(jié)質(zhì)量有益 三 受控對(duì)象的時(shí)間特性 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 但是 往往當(dāng)干擾發(fā)生后 由于各種原因受控參數(shù)不能立即反應(yīng) 要經(jīng)過一段時(shí)間的延遲后受控參數(shù)才發(fā)生變化 這種現(xiàn)象稱為受控對(duì)象的時(shí)間滯后 如圖為一單容水箱 在階躍干擾的作用下 受控對(duì)象的過渡過程如曲線所示 其中T為時(shí)間常數(shù) 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 如果用時(shí)間常數(shù)T來衡量受控過程的調(diào)控速度 按照其物理定義來理解 則T就表明 在干擾出現(xiàn)的瞬時(shí) 水箱水位Ha就有一個(gè)初始的變化速度 若水位Ha以此初始速度變化 則達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)水位所需要的時(shí)間t在數(shù)值上就等與時(shí)間常數(shù)T 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 時(shí)間常數(shù)T可以表明 在干擾發(fā)生后 受控過程的受控參數(shù)完成其變化過程所需時(shí)間的快慢 T越大 受控過程的受控參數(shù)變化越慢 接近最終穩(wěn)態(tài)值的速度越慢 反之 T越小 受控過程的受控參數(shù)變化越快 接近最終穩(wěn)態(tài)值的速度越快 受控對(duì)象在動(dòng)態(tài)過程中的時(shí)間滯后有兩方面的原因 一是調(diào)控作用點(diǎn)到受控對(duì)象的傳遞距離較遠(yuǎn) 造成受控對(duì)象接受調(diào)控作用時(shí)間上的滯后 稱為傳遞滯后 純滯后 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 二是由于受控對(duì)象具有多個(gè)容積 當(dāng)調(diào)控作用產(chǎn)生后 作用結(jié)果先對(duì)流程靠前的容積起作用 然后再對(duì)后續(xù)容積起作用 造成受控對(duì)象之間轉(zhuǎn)接調(diào)控作用而引起的時(shí)間上的滯后 稱為過渡滯后 或容積滯后 受控參數(shù)的變化值需要經(jīng)過一次或二次儀表傳遞或處理信息 信息的傳遞或處理也有一個(gè)時(shí)間滯后問題 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 1 3受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性1 3 3受控對(duì)象的平衡特性 受控對(duì)象的時(shí)間滯后 雙容 當(dāng)水箱進(jìn)水量突然增加時(shí) 前一水箱的水位H1與后一水箱的水位H2都要發(fā)生變化 經(jīng)過一段時(shí)間后 兩水箱水位重新獲得穩(wěn)定 前一水箱水位H1的過渡過程就是單容對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線 后一水箱水位H2的過渡曲線如上圖所示 開始斜率越來越大 經(jīng)拐點(diǎn)P后 斜率變得越來越小 如果經(jīng)拐點(diǎn)做曲線的切線與時(shí)間軸t相交 交點(diǎn)t1與受控參數(shù)開