熱工過程自動控制 課件ch04 - part1

1、北京理工大學珠海學院北京理工大學珠海學院熱工過程自動調節(jié)系統(tǒng)的分析和整定熱工過程自動調節(jié)系統(tǒng)的分析和整定4熱工過程自動調節(jié)系統(tǒng)的分析和整定熱工過程自動調節(jié)系統(tǒng)的分析和整定v教學目標：教學目標：v掌握熱工對象的動態(tài)特性掌握熱工對象的動態(tài)特性v掌握目前在熱工過程自動調節(jié)系統(tǒng)中應用最為廣掌握目前在熱工過程自動調節(jié)系統(tǒng)中應用最為廣泛的泛的PID調節(jié)器及其規(guī)律調節(jié)器及其規(guī)律v掌握通過控制調節(jié)器的比例帶、積分時間、微分掌握通過控制調節(jié)器的比例帶、積分時間、微分時間三個參數(shù)來整定單回路調節(jié)系統(tǒng)和串級調節(jié)時間三個參數(shù)來整定單回路調節(jié)系統(tǒng)和串級調節(jié)熱工對象的動態(tài)特性熱工對象的動態(tài)特性v控制系統(tǒng)設計任務：根據(jù)控制

2、系統(tǒng)設計任務：根據(jù)被控對象的動態(tài)特性被控對象的動態(tài)特性，選擇和設計控制器選擇和設計控制器使系統(tǒng)滿足規(guī)定的性能指標。使系統(tǒng)滿足規(guī)定的性能指標。v被控對象的動態(tài)特性：被控對象的動態(tài)特性： 1）不振蕩環(huán)節(jié)）不振蕩環(huán)節(jié) 2）有無自平衡能力）有無自平衡能力 3）被調量與調節(jié)對象的關系）被調量與調節(jié)對象的關系v選擇控制：選擇控制：1）PID控制器控制器 2）P、PI、PD控制器控制器v設計控制器：設計控制器：調節(jié)比例帶、積分時間、微分時間三調節(jié)比例帶、積分時間、微分時間三個參數(shù)，使系統(tǒng)性能最優(yōu)個參數(shù)，使系統(tǒng)性能最優(yōu)熱工對象的動態(tài)特性熱工對象的動態(tài)特性v控制對象：控制對象：各種具體熱工設備各種具體熱工設備，

3、例如熱工過程，例如熱工過程中的各種熱交換器，加熱爐、鍋爐、貯液罐及中的各種熱交換器，加熱爐、鍋爐、貯液罐及流體輸送設備等流體輸送設備等 調節(jié)對象的動態(tài)特性調節(jié)對象的動態(tài)特性控制系統(tǒng)的結構控制系統(tǒng)的結構控制器的參數(shù)控制器的參數(shù)熱工對象的動態(tài)特性熱工對象的動態(tài)特性v熱工對象的共同特點：熱工對象的共同特點：1）不振蕩環(huán)節(jié)（安全運行的要求）；）不振蕩環(huán)節(jié)（安全運行的要求）；2）熱工對象內部過程的物理性能比較復雜）熱工對象內部過程的物理性能比較復雜通過實驗來獲得對象的動態(tài)特性通過實驗來獲得對象的動態(tài)特性tthBAt0t0t0hh有自平衡能力有自平衡能力無自平衡能力無自平衡能力階躍響應階躍響應v（1）、具

4、有一個被調量的對象）、具有一個被調量的對象 v通道：對象的輸入量至輸通道：對象的輸入量至輸出量的信號聯(lián)系；出量的信號聯(lián)系；v控制通道：控制作用到輸出量控制通道：控制作用到輸出量(被調量被調量)的信號的信號聯(lián)系；聯(lián)系；v干擾通道：干擾作用至輸出量的信號聯(lián)系；干擾通道：干擾作用至輸出量的信號聯(lián)系；熱工對象的動態(tài)特性熱工對象的動態(tài)特性3）被調量與調節(jié)對象的關系）被調量與調節(jié)對象的關系熱工對象的動態(tài)特性熱工對象的動態(tài)特性v內擾內擾: 經(jīng)過調節(jié)通道作用到對象上的擾動稱為經(jīng)過調節(jié)通道作用到對象上的擾動稱為“內部內部擾動擾動”或或“基本擾動基本擾動” ；v外擾外擾: 經(jīng)過干擾通道作用到對象上的擾動稱為經(jīng)過干

5、擾通道作用到對象上的擾動稱為“外部外部擾動擾動”;不同信號通道的傳遞函數(shù)不同信號通道的傳遞函數(shù)(或微分方程或微分方程)不同不同 熱工對象的動態(tài)特性熱工對象的動態(tài)特性擾動擾動是隨機的、短暫的、一次發(fā)生的，它的是隨機的、短暫的、一次發(fā)生的，它的動態(tài)特性只影響動態(tài)特性只影響被調量的幅值被調量的幅值調節(jié)通道的動態(tài)特性是整定調節(jié)系統(tǒng)的依據(jù)調節(jié)通道的動態(tài)特性是整定調節(jié)系統(tǒng)的依據(jù)熱工對象的動態(tài)特性熱工對象的動態(tài)特性v（2）、具有幾個被調量的調節(jié)對象）、具有幾個被調量的調節(jié)對象調節(jié)作用的數(shù)目調節(jié)作用的數(shù)目=被調量的數(shù)目被調量的數(shù)目a）. 調節(jié)對象被分為若干個獨立的調節(jié)區(qū)域，每調節(jié)對象被分為若干個獨立的調節(jié)區(qū)域

6、，每一個調節(jié)作用只對一個被調量起作用。一個調節(jié)作用只對一個被調量起作用。例如：汽包鍋爐的調節(jié)，通常是把它劃分為給水、例如：汽包鍋爐的調節(jié)，通常是把它劃分為給水、汽溫、汽壓等幾個調節(jié)區(qū)域，每個獨立的調節(jié)區(qū)汽溫、汽壓等幾個調節(jié)區(qū)域，每個獨立的調節(jié)區(qū)域，可按照具有一個被調量的調節(jié)對象來處理。域，可按照具有一個被調量的調節(jié)對象來處理。熱工對象的動態(tài)特性熱工對象的動態(tài)特性b) 綜合調節(jié)：每一個調節(jié)作用除了影響綜合調節(jié)：每一個調節(jié)作用除了影響“自己的自己的”被調量外，還影響其他的被調量。被調量外，還影響其他的被調量。 (一一 )無自平衡能力的對象無自平衡能力的對象用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)

7、近似表示對象的動態(tài)特性1Q2QkvFvh無自平衡單容對象無自平衡單容對象v1QdtdhF21QQdtdhF將式將式(Q1K)代入上式：代入上式：KdtdhFFKdtdhtFKth0)(000tttt10Q20QQ2Q1Q0t0t0hhaT0用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性KdtdhF求無自平衡能力系統(tǒng)的傳遞函數(shù)求無自平衡能力系統(tǒng)的傳遞函數(shù))()(sFKsSHSTSFKssHGa11)()()s (用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性(一一 )無自平衡能力的對象無自平衡能力

8、的對象三個特征參數(shù)：三個特征參數(shù)：1.飛升速度飛升速度：在單位階躍擾動下，輸出：在單位階躍擾動下，輸出y(t)的最大變的最大變化速度?；俣取?.響應時間響應時間Ta：輸出：輸出y(t)如一開始就以最大速度變化如一開始就以最大速度變化上升到輸入上升到輸入x0的時間。的時間。3.延遲時間延遲時間：y(t)的漸近線在時間軸上所截取的長度的漸近線在時間軸上所截取的長度。1.飛升速度飛升速度0 xdtdyt 由漸近線得到由漸近線得到用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性2.響應時間響應時間TatdtdyxT0a飛升速度的倒數(shù)飛升速度的倒數(shù)用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征

9、參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性3.延遲時間延遲時間用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性反映了對象在階躍輸入作用下，輸出量的變化反映了對象在階躍輸入作用下，輸出量的變化速度由速度由零零變到接近于變到接近于漸近線的斜率漸近線的斜率的快慢的快慢(二二)有自平衡能力的對象有自平衡能力的對象用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性11Q2QksR2Fh圖圖2-2 有自平衡單容對象有自平衡單容對象用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性(二二)有自平衡能力的對象有自平衡能力的對象v 用實驗方法求取對象動態(tài)特性用實驗方法求取對象動態(tài)特性

10、1）閥門）閥門2的開度保持不變，即不存在外部擾動，先調整閥門的開度保持不變，即不存在外部擾動，先調整閥門1流入量和流流入量和流出量相等，液位出量相等，液位h穩(wěn)定在某個高度上不變，起始的穩(wěn)定工況。穩(wěn)定在某個高度上不變，起始的穩(wěn)定工況。2）在）在tt0瞬間突然把閥門瞬間突然把閥門1開大開大0，流入量，流入量Q1成比例階躍增大成比例階躍增大Q1。流出閥的開度保持不變，則暫時。流出閥的開度保持不變，則暫時Q2不變。不變。tt0時刻有不平衡流量時刻有不平衡流量QQ10Q1Q20Q1所以液位所以液位h開始上升，且上升速度與開始上升，且上升速度與Q成正比。成正比。3）這時流出量）這時流出量Q2就會隨著液位就

11、會隨著液位h的升高而增大，可見的升高而增大，可見QQ1Q2越來越小，因此液位上升速度越來越慢，直到越來越小，因此液位上升速度越來越慢，直到Q2重新和重新和Q1相等相等液位停止變化，建立一個新的平衡狀態(tài)液位停止變化，建立一個新的平衡狀態(tài)(穩(wěn)定在一個新的值穩(wěn)定在一個新的值)。該曲線稱為單容水槽的動態(tài)特性曲線或單容水槽的階躍響應曲線或稱為液該曲線稱為單容水槽的動態(tài)特性曲線或單容水槽的階躍響應曲線或稱為液位飛升過程。位飛升過程。000tttt10Q20QQ2Q1Q0t0t0hhdh)(hdG有自平衡單容對象的階躍響應曲線用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性(二二)有自平衡能

12、力的對象有自平衡能力的對象用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性(二二)有自平衡能力的對象有自平衡能力的對象21QQdtdhF控制閥開度控制閥開度與流入量與流入量Q1之間的關系滿足下列關系式之間的關系滿足下列關系式Q1K 當水槽液位當水槽液位h變化變化(如上升如上升)時，流出閥進出口的水壓時，流出閥進出口的水壓變化，因而引起流出量變化，因而引起流出量Q2變化。變化。 閥門阻力閥門阻力Rs可近似看成常數(shù)可近似看成常數(shù) 2QhRS用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性SSRKhdtdhFR將上式寫成標準形式KhdtdhT TFRs KKRs式中

13、T對象的慣性時間常數(shù) K對象的放大系數(shù)SSRKhdtdhFRKhdtdhT用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性h(t)=K0（1et/T） 1)()(TSkssHKhdtdhT微分方程微分方程階躍響應階躍響應傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)(二二)有自平衡能力的對象有自平衡能力的對象三個特征參數(shù)：三個特征參數(shù)：1.延遲時間延遲時間：y(t)的漸近線在時間軸上所截取的的漸近線在時間軸上所截取的長度。長度。2.自平衡系數(shù)自平衡系數(shù)：表征對象的自平衡能力表征對象的自平衡能力3.時間常數(shù)時間常數(shù)Tc：輸出輸出y(t)如一開始就以最大速度變如一開始就以最大速度變化上升到輸入化上升到輸入x0的

14、時間。的時間。4.飛升速度飛升速度：在單位階躍擾動下，輸出在單位階躍擾動下，輸出y(t)的最的最大變化速度。大變化速度。用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性1.延遲時間延遲時間延遲時間，是傳遞函數(shù)中的一個參數(shù)延遲時間，是傳遞函數(shù)中的一個參數(shù)用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性2.自平衡系數(shù)自平衡系數(shù))(0yx越大，在同樣的擾動下，輸出量的穩(wěn)態(tài)值越小，越大，在同樣的擾動下，輸出量的穩(wěn)態(tài)值越小， 的倒數(shù)是對象的靜態(tài)放大系數(shù)的倒數(shù)是對象的靜態(tài)放大系數(shù)K階躍輸入量的幅值階躍輸入量的幅

15、值用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性3.時間常數(shù)時間常數(shù)TcAtdtdyyTtc)(用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性4.飛升速度飛升速度 在單位階躍擾動下，輸出在單位階躍擾動下，輸出y(t)的最大變化速度。的最大變化速度。0txdtdyAtc1t00tTydtdyyxxdtdyAAttyx0由定義知，認為無自平衡能力對象的自平衡率為認為無自平衡能力對象的自平衡率為=0，那么，那么所有的熱工對象都可以用以下三個特征參數(shù)來所有的熱工對象都可以用以下三個特征參數(shù)來描述描述1）飛升速度）飛升速度2）自平衡率）自平衡率3）延遲時間）延遲時間用

16、特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性用特征參數(shù)近似表示對象的動態(tài)特性作業(yè)：什么是有自平衡能力對象和無自平衡能力對作業(yè)：什么是有自平衡能力對象和無自平衡能力對象象4.2調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器v三種基本的調節(jié)規(guī)律三種基本的調節(jié)規(guī)律1）比例（）比例（P）調節(jié)規(guī)律）調節(jié)規(guī)律2）積分（）積分（I）調節(jié)規(guī)律）調節(jié)規(guī)律3）微分（）微分（D）調節(jié)規(guī)律）調節(jié)規(guī)律4.2調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器調節(jié)規(guī)律：當偏差調節(jié)規(guī)律：當偏差e不為零時，調節(jié)量不為零時，調節(jié)量m的變化規(guī)律的變化規(guī)律)(1)()(teteKtmp4.2調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器1）比例（）比例（P）調節(jié)規(guī)律）調節(jié)規(guī)律調節(jié)量調節(jié)量m與

17、偏差與偏差e成正比成正比1)(pKsG放大系數(shù)放大系數(shù)比例帶比例帶微分方程微分方程傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)2）積分（）積分（I）調節(jié)規(guī)律）調節(jié)規(guī)律使調節(jié)量使調節(jié)量m與偏差與偏差e對時間的積分成比例對時間的積分成比例tItIdtteTdtteKtm00)(1)()(4.2調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器微分方程微分方程傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)s1s) s (IITKG積分時間積分時間積分速度積分速度3）微分（）微分（D）調節(jié)規(guī)律）調節(jié)規(guī)律調節(jié)作用與偏差的變化速度成比例調節(jié)作用與偏差的變化速度成比例dttdeTdttdeKtmDD)()()(4.2調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器微分方程微分方程傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)sKsGD)(微分時間微分時間PID調節(jié)器調節(jié)器4.2調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器單回路調節(jié)系統(tǒng)的組成框圖單回路調節(jié)系統(tǒng)的組成框圖PID調節(jié)器的組成框圖調節(jié)器的組成框圖vP、I、D并聯(lián)并聯(lián))()()()(321sGsGsGsGpKsG)(sKGI/) s (4.2調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器調節(jié)規(guī)律和調節(jié)器sKsGD)()11 (111)(sTsTsKKsKKKsKsKKsGDIPDPIPDIpPID）（微分時間積分時間：比例帶:DITT比例調節(jié)比例調節(jié)積分調節(jié)積分調節(jié)微分調節(jié)微分調節(jié)PID調節(jié)器調節(jié)器P調節(jié)器調