暖通空調(diào)之自動控制(PPT170頁)課件

1、注冊公用設(shè)備工程師 （暖通空調(diào)）自動控制考試基本情況共9道題，18分。大綱要求自動控制與自動控制系統(tǒng)的一般概念控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與對象的調(diào)節(jié)性能掌握控制系統(tǒng)的誤差分析 控制系統(tǒng)的綜合和校正 一、自動控制與自動控制系統(tǒng)的一般概念“控制工程”基本含義信息的傳遞反饋及反饋控制開環(huán)及閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成控制系統(tǒng)的分類及基本要求1、“控制工程”基本含義（1）控制工程：是一門研究“控制論”在工程中應(yīng)用的科學(xué) 。（2）自動控制：在沒有人的直接參與的條件下，利用控制器使被控對象（如機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程）的某些物理量（或工作狀態(tài)）能自動地按照預(yù)定的規(guī)律變化（或運(yùn)行）。例1工作原理

2、： 溫度傳感器不斷測量交換器出口處的實(shí)際水溫，并在溫度控制器中與給定溫度相比較，若低于給定溫度，其偏差值使蒸汽閥門開大，進(jìn)入熱交換器的蒸汽量加大，熱水溫度升高，直至偏差為零。如果由于某種原因，冷水流量加大，則流量值由流量計(jì)測得，通過溫度控制器，開大閥門，使蒸汽量增加，提前進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)按冷水流量進(jìn)行順饋補(bǔ)償，保證熱交換器出口的水溫不發(fā)生大的波動。 被控對象，傳感器，調(diào)節(jié)器，執(zhí)行器，被控量，給定值，主反饋，偏差，擾動自動控制，控制系統(tǒng)，反饋，反饋控制開環(huán)控制，前饋控制，閉環(huán)控制，優(yōu)缺點(diǎn)自動控制系統(tǒng)的組成信息的傳遞控制系統(tǒng)的分類及基本要求（1）分類從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上，分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)

3、按照分析和設(shè)計(jì)的方法，通?？煞譃榫€性和非線性，時(shí)變和非時(shí)變系統(tǒng) 按照系統(tǒng)參考輸入信號變化規(guī)律，分為恒值控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)。 按照系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號的性質(zhì)，分為連續(xù)控制系統(tǒng)和離散控制系統(tǒng)。 （2）空調(diào)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分類按被調(diào)參數(shù)的給定值不同可以分為：恒值（定值）調(diào)節(jié)系統(tǒng)：恒值控制系統(tǒng)的參考輸入為常量，要求它的被控制量在任何擾動的作用下能盡快地恢復(fù)（或接近）到原有的穩(wěn)態(tài)值。由于這類系統(tǒng)能自動的消除或削弱各種擾動對被控制量的影響，又稱為自鎮(zhèn)定系統(tǒng)。隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)：隨動控制系統(tǒng)得參考輸入是一個變化的量，一般是隨機(jī)的。要求系統(tǒng)的被控量能快速、準(zhǔn)確地跟隨參考輸入信號的變化而變化。 （2）空調(diào)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的

4、分類程序調(diào)節(jié)系統(tǒng)：系統(tǒng)中的給定值是按一定的規(guī)律變化的，給定值是時(shí)間的函數(shù)。系統(tǒng)是輸出信號按照一定的精度隨輸入而變化。如空調(diào)中的人工氣候室。計(jì)算機(jī)最佳控制系統(tǒng)：利用計(jì)算機(jī)控制使系統(tǒng)達(dá)到最佳控制。最佳是指空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)給定的評價(jià)函數(shù)（性能指標(biāo)）為最佳，既能好最小的控制。（3）基本要求 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。如穩(wěn)定的恒值控制系統(tǒng)，被控量偏離期望的初始偏差應(yīng)隨時(shí)間的增長逐漸減小并趨于零。 平穩(wěn)性：如果控制過程中出現(xiàn)被控量圍繞給定值的擺動或稱振蕩，振蕩的幅值和頻率都不能過大。（3）基本要求快速性：控制過程的總體調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)有所限制，應(yīng)盡快進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。 準(zhǔn)確性（精確性）：控制系統(tǒng)進(jìn)

5、入穩(wěn)定狀態(tài)后，系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之間的差值，差值越小準(zhǔn)確性越好。是系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。 例1 反饋的概念、反饋控制反饋將輸出量直接或間接送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號比較的過程稱為反饋。反饋控制的實(shí)質(zhì)：按偏差控制。例2選擇題1）開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出（B D ）。A 參與系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié) C 到輸入有反饋通道 B不參與系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié) D到輸入無反饋通道 2)閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出（A C ）。A 參與系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié) C 到輸入有反饋通道 B不參與系統(tǒng)的反饋調(diào)節(jié) D到輸入無反饋通道3)前饋控制系統(tǒng)是（ B C ）。 A 閉環(huán)控制系統(tǒng) C 按干擾信號進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng) B開環(huán)控制系統(tǒng) D能抑制不可測量的擾動

6、的系統(tǒng)例2選擇題4)控制系統(tǒng)基本性能的要求（A B C D）。A 穩(wěn)定性 B快速性 C 平穩(wěn)性 D準(zhǔn)確性5)按給定信號的特點(diǎn)控制系統(tǒng)可分為（ ）。A 恒值系統(tǒng) C程序控制系統(tǒng) B 隨動系統(tǒng) D計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)6）按控制信號的形式控制系統(tǒng)可分為（CD）。A 線性控制系統(tǒng) C連續(xù)控制系統(tǒng) B 非線性控制系統(tǒng) D離散控制系統(tǒng)例2選擇題7)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成（ABCD）。A 被控對象 B調(diào)節(jié)器 C 執(zhí)行器 D測量變送器下列各式是描述系統(tǒng)的微分方程，其中，r(t)為輸入變量，c（t）為輸出量 二、控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性控制系統(tǒng)微分方程的擬定與求解拉普拉斯變換與反變換傳遞函數(shù)及其方塊圖被控對

7、象的特性 對象的自平衡是指當(dāng)干擾不大或負(fù)荷變化不大時(shí)，即使沒有調(diào)節(jié)作用，被調(diào)節(jié)參數(shù)變化到某個新的穩(wěn)定值，從而恢復(fù)平衡狀態(tài)。對象達(dá)到自平衡所經(jīng)歷的過程叫做自平衡過程。有自平衡能力的被控對象輸出重新穩(wěn)定，無自平衡能力的被控對象輸出一直增加，無法穩(wěn)定。 下圖所示為室溫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，不考慮室溫控制對象的滯后。被控對象：干擾通道的增量微分方程式為 調(diào)節(jié)通道的增量微分方程式為 溫度對象的增量微分方程假定送風(fēng)溫度穩(wěn)定，即 為階躍信號，則 由于實(shí)際的房間對象存在著傳遞滯后被控對象的特性參數(shù)放大系數(shù)K：被控對象輸出量的增量的穩(wěn)態(tài)值與輸入量的增量的比值 。是被控對象的靜態(tài)特性參數(shù)，決定輸入信號對穩(wěn)定值的影響。 放

8、大系數(shù)越大，被控量對輸入量的變化越靈敏，穩(wěn)定性差；放大系數(shù)越小，對象控制靈敏度差，但穩(wěn)定性好。被控對象的特性參數(shù)時(shí)間常數(shù)T：為對象在階躍擾動作用下，被控量以初始最大速度變化到穩(wěn)態(tài)之所需的時(shí)間。如（2）中的T1 。因此時(shí)間常數(shù)反映了被控對象在階躍擾動作用下到達(dá)新穩(wěn)定值的快慢，表示被控對象慣性大小的常數(shù)，時(shí)間常數(shù)大，慣性大。時(shí)間常數(shù)大，被控對象慣性大，被控量變化速度慢，控制較平穩(wěn)；時(shí)間常數(shù)小，慣性小，被控量變化速度快，不易控制。 被控對象的特性參數(shù)滯后時(shí)間 被控對象的被控量的變化落后于干擾的現(xiàn)象為滯后。滯后分純滯后和過渡滯后。純滯后：又稱傳遞滯后，由于物料量或能量的傳送過程需要一定的時(shí)間而造成的。

9、如（3）中的過渡滯后：又稱容量滯后。對象的容量系數(shù)和阻力越大，容量的個數(shù)越多，則過渡滯后時(shí)間越長，過渡過程就越慢實(shí)際對象中，純滯后和過渡滯后很難嚴(yán)格區(qū)別，故統(tǒng)稱為滯后時(shí)間。滯后的存在不利于控制，因此在設(shè)計(jì)和安裝控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量把滯后調(diào)到最小。調(diào)節(jié)器的特性線性控制規(guī)律的微分方程：比例規(guī)律 ：比例積分規(guī)律 ：比例積分微分規(guī)律 ：P調(diào)節(jié)器的輸出信號；e調(diào)節(jié)器的輸入信號，即被控量的測量值與給定值之差，偏差； 積分時(shí)間，分（min）； 微分時(shí)間，分（min）； 調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)。非線性控制規(guī)律的微分方程：雙位調(diào)節(jié)規(guī)律系統(tǒng)各環(huán)節(jié)微分方程式的形式為：被控對象：溫度傳感器：調(diào)節(jié)器（包括比較元件）：執(zhí)行器 =

10、K3 P以室溫作為系統(tǒng)輸出的微分方程式在恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，給定值是不變的，被控量的變化來源于外界干擾，選干擾作用為輸入量。系統(tǒng)在給定作用下的微分方程式：系統(tǒng)在干擾作用下的微分方程式： 系統(tǒng)微分方程的求解 系統(tǒng)的微分方程為二階線性常系數(shù)微分方程，其解為齊次方程的通解和非齊次方程的特解之和。當(dāng)系統(tǒng)中各個參數(shù)確定后，微分方程中的各個系數(shù)就可確定，這時(shí)可根據(jù)系統(tǒng)方程來具體求解。需回憶高等數(shù)學(xué)中二階常系數(shù)微分方程的求取方法。特征根不同時(shí)，解的形式不同。拉普拉斯變換與反變換1、拉普拉斯變換（1）定義 ：函數(shù)f(t)，t為實(shí)變量。如線性積分 （s為復(fù)變量+j）存在，則稱其為函數(shù)f(t) 的拉普拉斯變換，簡稱拉

11、氏變換。變換后得到的新函數(shù)應(yīng)是復(fù)變量s的函數(shù)，記作F(s)或Lf(t)即稱F(s)為f(t)的變換函數(shù)或象函數(shù)，而f(t)為F(s)的原函數(shù)。（2）常用拉氏變換定理 1）線性定理 2）微分定理3）積分定理4）時(shí)滯定理 5）初值定理6）終值定理 7）實(shí)域中的位移定理或滯后定理8)復(fù)域中的位移定理2、拉普拉斯反變換 （1）定義 （2）計(jì)算 1）A(s)=0無重根 2）A(s)=0有重根 重根部分的各項(xiàng)系數(shù)求反變換即得f(t)3、常用函數(shù)的拉氏變換表見p175表4-1。例 的原函數(shù)為 傳遞函數(shù)及其方塊圖1、傳遞函數(shù)（1）定義：零初始條件下，線性定常系統(tǒng)輸出量拉氏變換與輸入量拉氏變換之比。設(shè)線性定常系

12、統(tǒng)的微分方程為1、傳遞函數(shù)設(shè)初始值為零，對上式兩端進(jìn)行拉氏變換，得 則系統(tǒng)傳遞函數(shù)2、方塊圖 （1）概念：方塊圖即系統(tǒng)方塊圖，也稱為系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，是系統(tǒng)中每個環(huán)節(jié)的功能和信號流向的圖解表示。方塊圖表明了系統(tǒng)中各種環(huán)節(jié)間的相互關(guān)系。其組成如下所示： 1）信號線：表示信號輸入、輸出通道，箭頭代表信號傳遞方向；2）綜合點(diǎn)（比較點(diǎn)） 也稱相加點(diǎn)，表示幾個信號相加減，叉圈符號的輸出量為諸信號的代數(shù)和； 3）引出點(diǎn)：表示同一信號傳遞到幾個地方 4）傳遞方框 方框兩側(cè)應(yīng)為輸入信號和輸出信號線，方框內(nèi)寫入該輸入、輸出之間的傳遞函數(shù)G(s)。G(s)（2）方塊圖的連接和等效變換1）串聯(lián)連接若干個環(huán)節(jié)串聯(lián)連接的

13、總傳遞函數(shù)等于各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之積。G1(s)G3(s)G2(s)X1 X2 R C G(s)R C G(s) = G1(s)G2(s)G3(s) G(s)= （2）方塊圖的連接和等效變換2）并聯(lián)連接G3(s) G1(s)G2(s)R(s) C(s) + + G(s) R(s) C(s) G(s) = G1(s) + G2(s) + G3(s) 若干個環(huán)節(jié)串聯(lián)連接的總傳遞函數(shù)等于各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之和。G(s)= （2）方塊圖的連接和等效變換3）反饋連接G(s)H(s)R(s)B(s)C(s)+ - + E(s) H(s)=1時(shí)，單位反饋 E(s)=R(s)-B(s) - 偏差信號 前向通道 + 反

14、饋通道 = 閉環(huán)回路 開環(huán)傳遞函數(shù) G(s)H(s) = 前向通道傳遞函數(shù) G(s) = H(s)=1時(shí) G(s)H(s)=G(s) 閉環(huán)傳遞函數(shù) =3）反饋連接負(fù)反饋：正反饋：=4)引出點(diǎn)和比較點(diǎn)和方塊之間的移動例G1G2G3G4G5G6R(S) C(S) _ _ + + + 計(jì)算（1）結(jié)構(gòu)如等效變換（2）梅遜公式 從輸入節(jié)點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn)的前向通路（自身不能有重復(fù)的路徑）的總條數(shù)。 從輸入節(jié)點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn)的第 條前向通路的傳遞函數(shù)。 為特征式，由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中各回路傳遞函數(shù)確定：式中 所有單獨(dú)回路傳遞函數(shù)之和； 所有存在的兩個互不接觸的單獨(dú)回路傳遞函數(shù)乘積之和； 所有存在的三個互不接觸的單獨(dú)回路傳

15、遞函數(shù)乘積之和。 為第 條前向通路特征式的余因子式，即在結(jié)構(gòu)圖中，除去與第 條前向通路接觸的回路后的 值的剩余部分?；芈穫鬟f函數(shù)是指反饋回路的前向通路（道）和反饋通路（道）函數(shù)的乘積，并且包含表示反饋極性的正、負(fù)號。 3、典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 及其方塊圖1）放大（比例）環(huán)節(jié)KR(s) C(s) K常數(shù)，稱放大系數(shù)或增益。2)積分環(huán)節(jié) 3)理想微分環(huán)節(jié) s積分環(huán)節(jié)具有記憶特性，可用來改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性微分環(huán)節(jié)反映變化趨勢，可用來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性實(shí)際微分環(huán)節(jié)實(shí)際上可以實(shí)現(xiàn)的微分環(huán)節(jié)都具有一定的慣性，它的微分方程和傳遞函數(shù)分別是4）慣性環(huán)節(jié) T慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)5）二階振蕩環(huán)節(jié) 6)純滯后環(huán)節(jié) 例3選

16、擇題1）系統(tǒng)的傳遞函數(shù)取決于（AB）。A 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) B固有參數(shù) C 輸入量的形式 D輸出量的形式2)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)(ABC ).A 是復(fù)變量s的有利真分式B 只有自身結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)C 是單位脈沖響應(yīng)的拉氏變換D可以反映零輸入下的動態(tài)特性ABC三、線性系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)基本調(diào)節(jié)規(guī)律及實(shí)現(xiàn)方法控制系統(tǒng)的一階瞬態(tài)響應(yīng)二階瞬態(tài)響應(yīng)頻率特性的基本概念頻率特性的表示方法調(diào)節(jié)器的特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響二階系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法（一）基本調(diào)節(jié)規(guī)律及實(shí)現(xiàn)方法調(diào)節(jié)器本身是一個帶反饋的小系統(tǒng)，各種調(diào)節(jié)規(guī)律使通過改變反饋環(huán)節(jié)的特性來實(shí)現(xiàn)的。為了將調(diào)節(jié)器內(nèi)部的反饋環(huán)節(jié)與室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)區(qū)分開來，將調(diào)節(jié)器內(nèi)部的反饋環(huán)節(jié)稱為調(diào)節(jié)

17、器內(nèi)反饋。1、基本調(diào)節(jié)規(guī)律設(shè)調(diào)節(jié)器的輸入為 ，輸出為y 。室溫線性調(diào)節(jié)器的各種基本規(guī)律見表3-1。2、調(diào)節(jié)器的內(nèi)反饋實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器的各種調(diào)節(jié)規(guī)律的主要方法是在調(diào)節(jié)器內(nèi)部采用反饋。內(nèi)反饋回路中采用各種不同的環(huán)節(jié)，就可得到各種不同的調(diào)節(jié)規(guī)律。KWR(s)+-圖3-1調(diào)節(jié)器的內(nèi)反饋調(diào)節(jié)器的內(nèi)反饋的基本原理K放大器是一個比例環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù) 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)放大器的放大倍數(shù)越大，則 越小。調(diào)節(jié)器的內(nèi)反饋的基本原理3、比例積分（PI）調(diào)節(jié)器為實(shí)際的微分環(huán)節(jié)（二）控制系統(tǒng)的一階瞬態(tài)響應(yīng)1、數(shù)學(xué)模型描述一階系統(tǒng)動態(tài)特性的微分方程式的一般標(biāo)準(zhǔn)形式是c(t)輸出量; r(t)輸入量; T時(shí)間常數(shù),表示系統(tǒng)的慣性。

18、一階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 2、一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 2、一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 由r(t)=1(t)，R(s)=1/s,則系統(tǒng)過渡過程（即系統(tǒng)輸出）的拉氏變換式為 =1代表穩(wěn)態(tài)分量， 代表瞬態(tài)分量 2、一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng) 顯然，一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線是一條由零開始，按指數(shù)規(guī)律單調(diào)上升的，最終趨于1的曲線。響應(yīng)曲線也是具有非振蕩特征，故也稱為非周期響應(yīng)。過渡過程時(shí)間 =（34）T 例由純積分環(huán)節(jié)經(jīng)單位反饋而形成的閉環(huán)系統(tǒng)超調(diào)量為（ ）（A）0 （B）16.3% （C）無超量 （D）以上都對（三） 二階瞬態(tài)響應(yīng)凡可用二階微分方程描述的系統(tǒng)，稱為二階系統(tǒng)。1、二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（以室溫自動

19、調(diào)節(jié)系統(tǒng)在給定作用下為例）當(dāng)給定作用為階躍輸入時(shí)，系統(tǒng)的微分方程為：兩邊進(jìn)行拉氏變換，得傳遞函數(shù)為（零初始條件）2、二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)求(3-1)的拉氏反變換，分三種情況討論。圖3-2 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)通用曲線 （1）過阻尼二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)(2)臨界阻尼情況二階系統(tǒng)的特征根為兩個相等的負(fù)實(shí)根，單位階躍響應(yīng)表達(dá)式為： (3)欠阻尼（0 1）情況二階系統(tǒng)的特征根為兩個不相等的負(fù)實(shí)根單位階躍響應(yīng)表達(dá)式為 超調(diào)量，衰減比，峰值時(shí)間，過渡過程時(shí)間，靜差，振蕩周期值變化(增大)對動態(tài)性能（ ）的影響減小， 減小例（四）頻率特性基本概念頻率特性法是一種圖解分析法，通過系統(tǒng)的頻率特性來分析系統(tǒng)性能

20、的。不僅適用于線性定常系統(tǒng)，還適用于純滯后環(huán)節(jié)和部分非線性環(huán)節(jié)的分析。1、頻率特性的定義：在正弦輸入下，線性定常系統(tǒng)輸出的穩(wěn)態(tài)分量與輸入的復(fù)數(shù)比。2、幅頻特性：穩(wěn)態(tài)時(shí)，線性定常系統(tǒng)輸出與輸入的幅值比。3、相頻特性：穩(wěn)態(tài)時(shí)，線性定常系統(tǒng)輸出信號與輸入信號的相位差。 典型環(huán)節(jié)的頻率特性比例積分理想微分慣性一階微分二階振蕩純滯后(五)頻率特性表示方法頻率特性可用圖形表示，有對數(shù)坐標(biāo)圖、極坐標(biāo)圖 1、極坐標(biāo)圖：又稱幅相頻率特性曲線或幅相曲線。當(dāng)輸入信號的頻率由變化時(shí)，相量的幅值和相位也隨之作相應(yīng)的變化，其端點(diǎn)在復(fù)平面上移動的軌跡。圖3-3為慣性環(huán)節(jié)的極坐標(biāo)圖。1、極坐標(biāo)圖(圖3-3)圖3-3 慣性環(huán)節(jié)

21、的極坐標(biāo)圖典型環(huán)節(jié)比例積分理想微分慣性一階微分二階振蕩純滯后2、對數(shù)坐標(biāo)圖又稱對數(shù)頻率特性曲線或伯德圖，由對數(shù)幅頻曲線和對數(shù)相頻曲線組成。對數(shù)幅頻曲線橫坐標(biāo)頻率 按 分度，單位為rad/s?？v坐標(biāo)按 分度，單位為分貝dB。對數(shù)相頻曲線的縱坐標(biāo)按線性分度，單位為度（）。圖3-4為伯德圖的橫坐標(biāo) 和 的對應(yīng)關(guān)系。頻率 每變化一倍，稱為一個倍頻程；頻率每變化十倍，稱為一個十倍頻程。 圖3-4 軸的對數(shù)分度典型環(huán)節(jié)比例積分理想微分慣性一階微分二階振蕩純滯后例(六)調(diào)節(jié)器的特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)規(guī)律是通過調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)調(diào)節(jié)對象、測量變送元件和執(zhí)行器確定后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量主要取決于調(diào)

22、節(jié)器的特性調(diào)節(jié)器的特性取決于它的特性參數(shù)，即放大系數(shù) Kc、 積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD。為了分析這些參數(shù)對系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響，只需將不同的調(diào)節(jié)規(guī)律帶入系統(tǒng)的框圖中，給出過渡過程曲線，從過渡過程曲線來分析Kc、 TI、 TD對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響。 圖3-5 室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(六)調(diào)節(jié)器的特性對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響1、比例作用對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響（1）穩(wěn)定程度：放大系數(shù)Kc越大，系統(tǒng)振蕩的越劇烈，可能不穩(wěn)定。阻尼比變小，系統(tǒng)也就越不穩(wěn)定。調(diào)節(jié)器放大系數(shù)Kc對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響見下表2、積分作用對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響見表3-4表3-4 積分時(shí)間對調(diào)節(jié)過程的影響積分時(shí)間調(diào)節(jié)的過小，積分作用過強(qiáng)，可能引起系統(tǒng)的等幅振

23、蕩，系統(tǒng)的穩(wěn)定程度降低。積分時(shí)間選擇的合適時(shí)，可以減小直至消除偏差。為了保持系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，可以減弱調(diào)節(jié)器的比例作用。增加積分作用以后要使系統(tǒng)穩(wěn)定程度基本不變，即衰減比基本相同，則要減小調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，則最大偏差增大，上升時(shí)間延長，振蕩周期加長，靜差消除。3、微分作用對調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響微分時(shí)間大微分輸出部分衰減得慢，微分作用強(qiáng)。微分作用具有抑制振蕩的效果，適當(dāng)?shù)脑黾游⒎肿饔?，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又可減小被控量的波動幅度，并降低穩(wěn)態(tài)誤差。如果微分作用加的過大，調(diào)節(jié)器輸出劇烈變化，不僅不能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，反而會引起被控量大幅度的振蕩。（七）二階系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法 系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)與調(diào)節(jié)器的特性和調(diào)節(jié)

24、對象特性之間的數(shù)量關(guān)系，根據(jù)一定的調(diào)節(jié)質(zhì)量指標(biāo)選用與調(diào)節(jié)對象相匹配的調(diào)節(jié)器并給出調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定范圍，即調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法。以典型的二階系統(tǒng)為例。1、 室溫二階系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)方法 當(dāng)采用比例調(diào)節(jié)器并且只考慮感溫元件的慣性（只考慮加熱器的慣性）時(shí)，室溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)為一個二階系統(tǒng)，如上圖所示。當(dāng)01時(shí)， 分析系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)與各環(huán)節(jié)參數(shù)的關(guān)系（1）最大偏差當(dāng)n=0時(shí)， 時(shí)有第一個極值，即最大偏差 （1）最大偏差根據(jù)的 值得對于0 1， 對于0 1，當(dāng) 和K增大時(shí)均使減小，因此，無論 增大 還是K增大，均可使 增大。（2）衰減比n 在從 01時(shí)，隨著 ，且K, 也使，而，使n。 （3）過渡時(shí)間 隨

25、著 ， ，且K,也使 。 （4）靜差（被控量室溫在階躍干擾作用下的靜差）顯然，隨著K， 減小。參數(shù) 只影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，隨著 的上升，各項(xiàng)動態(tài)性能指標(biāo)均下降。開環(huán)放大系數(shù)K既影響動態(tài)有影響靜態(tài)性能指標(biāo)，隨著K的增大，使動態(tài)性能指標(biāo)下降，靜態(tài)性能指標(biāo)上升。合理的K的取值：在保證系統(tǒng)有一定穩(wěn)定程度的前提下，盡可能增大K，以減小比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜差。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度主要由衰減比n來決定，通常要求衰減比為410，對應(yīng)的要求衰減系數(shù)為0.2160.343。2、二階設(shè)計(jì)的推廣使用當(dāng)調(diào)節(jié)對象和測量感溫元件均為一階慣性環(huán)節(jié)且感溫元件的慣性比較大時(shí)，如采用比例積分調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下。恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng) ，輸

26、出量室溫對輸入量干擾 的傳遞函數(shù) 0 0), 將其代入系統(tǒng)特征方程，可得關(guān)于z的多項(xiàng)式，以判斷系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。（四）對象的調(diào)節(jié)性能指標(biāo)a) 階躍干擾作用下的過渡過程 b）階躍給定作用下的過渡過程（1）衰減比n 用n可以判斷振蕩是否衰減和衰減程度。n1時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定；n=1時(shí)，等幅振蕩；n1時(shí)，增幅振蕩。通常取n=410。表明調(diào)節(jié)作用能夠很快克服干擾，將被調(diào)參數(shù)的波動回復(fù)到允許的范圍之內(nèi)。 （2）靜差C(余差)過渡過程終了時(shí)，被調(diào)參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近，穩(wěn)定值與給定值之差為靜差。 =0時(shí)，為無靜差； 0時(shí)，為有靜差。（3）超調(diào)量（動差）M過渡過程中，被調(diào)參數(shù)相對于新穩(wěn)態(tài)值的最大波動量（4）最大偏差

27、A=M+C被調(diào)參數(shù)相對于給定值的最大偏差。若A過大，且偏離時(shí)間過長，系統(tǒng)離開指定的工藝狀態(tài)越遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)品質(zhì)越差。（5）振蕩周期 和振蕩頻率f 相鄰兩個波峰所經(jīng)歷的時(shí)間為振蕩 周期，其倒數(shù)為振蕩頻率。（6）調(diào)節(jié)過程時(shí)間 調(diào)節(jié)系統(tǒng)受干擾后，從被調(diào)參數(shù)開始波動至達(dá)到新穩(wěn)態(tài)之所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。 越小越好，一般希望 五、掌握控制系統(tǒng)的誤差分析誤差及穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)類型及誤差度靜態(tài)誤差系數(shù)（一）誤差及穩(wěn)態(tài)誤差1.誤差: 被控量的希望值和實(shí)際值之差.即2、穩(wěn)態(tài)誤差： （二）系統(tǒng)類型及誤差度1系統(tǒng)類型 設(shè)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 式中K系統(tǒng)的開環(huán)增益；系統(tǒng)中積分環(huán)節(jié)的個數(shù)。對應(yīng)于=0，1，2的系統(tǒng)，分別稱之為0型、型和型

28、系統(tǒng)。 2、誤差度被控量穩(wěn)態(tài)值的附近（或 ）稱為系統(tǒng)的誤差度（帶）。 （三）靜態(tài)（穩(wěn)態(tài)）誤差系數(shù)p209表4-21.靜態(tài)位置誤差系數(shù) 2.靜態(tài)速度誤差系數(shù) 3.靜態(tài)加速度誤差系數(shù) 例題：求穩(wěn)態(tài)誤差溫度計(jì)的傳遞函數(shù)為，用其測量容器內(nèi)的水溫，1min才能顯示出該溫度的98%的數(shù)值。若加熱容器使水溫按10C/min的速度勻速上升，溫度計(jì)的穩(wěn)態(tài)指示誤差為（ ）。六、控制系統(tǒng)的綜合和校正校正的概念串聯(lián)校正裝置的形式及其特性繼電器調(diào)節(jié)系統(tǒng)（非線性系統(tǒng)）及校正位式恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶校正裝置的雙位調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶校正裝置的位式恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)（一）校正的概念 1、校正：在系統(tǒng)中加入一些其參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機(jī)構(gòu)或裝置，

29、使系統(tǒng)整個特性發(fā)生變化，從而滿足給定 的各項(xiàng)性能指標(biāo)。2、校正裝置：加入一些其參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機(jī)構(gòu)或裝置，這種附加裝置為校正裝置，也稱為補(bǔ)償器。3、性能指標(biāo)：時(shí)域性能指標(biāo)：穩(wěn)態(tài)誤差，上升時(shí)間、峰值時(shí)間、超調(diào)量頻域性能指標(biāo)：相位裕量，剪切頻率、諧振頻率（二）串聯(lián)校正裝置 的形式及其特性 1、超前校正裝置 零、極點(diǎn)分布 Bode圖頻率特性為： PD控制器的傳遞函數(shù)為： 是一種超前校正裝置。 2、滯后校正裝置 滯后校正裝置的作用: 低通濾波. 能抑制噪聲. 改善穩(wěn)態(tài)性能. ,抗噪聲能力一般 =10. 為不使滯后相角影響 , 一般取 PI控制器的傳遞函數(shù)為： 是一種滯后校正裝置。 PID控制器

30、的傳遞函數(shù)為： 兼有PI控制器和PD控制器的優(yōu)點(diǎn)，是一種滯后-超前校正裝置。（三）繼電器調(diào)節(jié)系統(tǒng)（非線性系統(tǒng)）及校正在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中有一個或一個以上元件具有繼電型特性這稱為繼電器調(diào)節(jié)系統(tǒng)。繼電器調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一種根本非線性自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。許多繼電器調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)過程會出現(xiàn)自振蕩。如果自振蕩是正常工作情況，被調(diào)量的振幅要受到調(diào)節(jié)精度要求的限制。由于繼電器調(diào)節(jié)系統(tǒng)的線性部分具有低通濾波特性，所以提高自振蕩的頻率，使振幅較小。為了限制自振蕩的振幅（或提高其頻率），可以利用校正裝置，如果系統(tǒng)中具有不靈敏取得元件的話，應(yīng)用校正裝置可以完全抑制自振蕩。雙位控制規(guī)律雙位控制規(guī)律實(shí)際的雙位控制特性 1、位式恒速調(diào)節(jié)

31、系統(tǒng)恒速調(diào)節(jié)不象雙位調(diào)節(jié)那樣調(diào)節(jié)過猛，在加、減熱量中是恒速地變化的所以當(dāng)室溫回到上、下限之間時(shí)，可能不會超出這個區(qū)間，而能穩(wěn)定下來這就是所謂非周期的 調(diào)節(jié)過程，但也可能經(jīng)過23個周期即穩(wěn)定下來這是衰減振蕩，系統(tǒng)的靜差是由上、下限間的區(qū)域來決定的影響等速調(diào)節(jié)品質(zhì)的因素有以下三點(diǎn):1）與調(diào)節(jié)器上、下限之間的區(qū)域有關(guān)當(dāng)上、下限之間的區(qū)域越寬。系統(tǒng)的靜態(tài)誤差越大；但室溫不易起出這個區(qū)域，因而易于穩(wěn)定。當(dāng)上、下限間的區(qū)域較窄，靜差減?。贿^窄時(shí)系統(tǒng)不易穩(wěn)定。2）與執(zhí)行機(jī)構(gòu)全程時(shí)間有關(guān)。是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置從零移至全行程所需時(shí)間，即調(diào)節(jié)閥從全閉到全開的時(shí)間執(zhí)行機(jī)構(gòu)的全行程時(shí)間越小，其調(diào)節(jié)的補(bǔ)償速 度就越大，抗

32、干擾能力就強(qiáng)，過渡過程的時(shí)間可縮短但當(dāng)補(bǔ)償速度過快時(shí)，恒速調(diào)節(jié)系統(tǒng)可能產(chǎn)生像雙位調(diào)節(jié)那樣的不停地振蕩即電動閥一會全開，一會全關(guān)，形成振蕩這在恒速調(diào)節(jié)中是不允許的。3）對象的動態(tài)特性也是影響調(diào)節(jié)品質(zhì)的重要因素實(shí)踐證明，當(dāng)對象特征比、傳送系數(shù)以及敏感元件時(shí)間常數(shù)大時(shí)，易使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。動態(tài)偏差也會增大。 2、帶校正裝置的雙位調(diào)節(jié)系統(tǒng) 當(dāng)采用雙位調(diào)節(jié)時(shí)影響室溫調(diào)節(jié)品質(zhì)的幾個因素如下： l）室溫對象一空調(diào)房間的特性參數(shù)、T、K對調(diào)節(jié)品質(zhì)有影響。 因存在著對象的滯后時(shí)間，所以會使室溫調(diào)節(jié)品質(zhì)惡化。當(dāng)愈大時(shí)，調(diào)節(jié)振幅即動態(tài)偏差增大。只有在理想狀態(tài)下，對象滯后等于零時(shí)，室溫波動的振幅才等于調(diào)節(jié)器的不靈敏區(qū)，

33、但這在實(shí)際上是不可能的而當(dāng)增大時(shí)，調(diào)節(jié)周期可加大，這樣就減少了振動次數(shù)，延長了使用壽命。 對象的時(shí)間常數(shù)T越大時(shí)，因室溫上升速度小，所以振幅可減小這對調(diào)節(jié)有利且T大時(shí)可使調(diào)節(jié)周期加大，對減少磨損也有利當(dāng)對象的傳遞系數(shù)大時(shí)，調(diào)節(jié)過程的動差和靜差均增大，調(diào)節(jié)周期將縮短，振動次數(shù)會增加，壽命也會縮短. 2）調(diào)節(jié)器不靈敏區(qū)對調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響。 調(diào)節(jié)器不靈敏區(qū)增加時(shí)動態(tài)偏差增大，這是不利的；但不靈敏區(qū)增加時(shí)，振動周期可加大，對減少磨損有利。 3）加熱器的容量和室內(nèi)熱干擾對室溫的影響。 在一般設(shè)計(jì)中，還有所謂調(diào)整用電加熱器。此種加熱器是手動控制的，是用來外償由于季節(jié)不同而引起的建筑物熱損失的波動的為了提高調(diào)節(jié)精度，把這部分加熱量不計(jì)算在控制用加熱量中，是非常必要的同時(shí)，間歇運(yùn)行為空調(diào)系統(tǒng)，在每次啟動初期為了盡快上升到所需溫度，也有必要設(shè)置這部分加熱器。 4）敏感元件的時(shí)間常數(shù)及其安裝位置對室溫調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響。 敏感元件存在著一定的熱慣性