教學(xué)第3章熱工對象的動態(tài)特性課件

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（適1第3章被控對象的動態(tài)特性主要內(nèi)容熱工對象動態(tài)特性理論分析熱工對象動態(tài)特性實驗測定熱工對象動特性的特征參數(shù)第3章被控對象的動態(tài)特性2§1-1熱工對象動態(tài)特性理論分析一、調(diào)節(jié)對象的分類按輸入輸出對象的多少分類多輸入單輸出對象多輸入多輸出對象按有無自衡能力分類有自衡能力的對象無自衡能力的對象按儲蓄容量的數(shù)量分類單容對象：只有一個儲蓄容量的對象多容對象：由多個容器和阻力組成的對象§1-1熱工對象動態(tài)特性理論分析一、調(diào)節(jié)對象的分類3輸入輸出對象的多少分類xyf1……fnx1…xnf1……fny1…yn多輸入單輸出多輸入多輸出輸入輸出對象的多少分類xyf1……fnx1f1……fny1多4按有無自衡能力分類無自衡能力有自衡能力按有無自衡能力分類無自衡能力5按有無自衡能力分類無自衡能力有自衡能力水水水按有無自衡能力分類無自衡能力6按儲蓄容量的數(shù)量分類單容對象多容對象按儲蓄容量的數(shù)量分類單容對象7二、單容對象的動態(tài)特性有自衡能力對象的動態(tài)特性穩(wěn)態(tài)時Q1=Q2Q1突然增大時液位上升Q2也逐漸增大當Q1=Q2時，新平衡建立在新的液面高度上液位高度為被調(diào)量單容對象的階躍相應(yīng)微分方程Q2Q1h1h2二、單容對象的動態(tài)特性有自衡能力對象的動態(tài)特性Q2Q1h1h8單容對象的階躍響應(yīng)曲線單容對象的階躍響應(yīng)曲線9液位控制的階躍響應(yīng)液位控制的階躍響應(yīng)10阻力對對象特性的影響過程2比過程1的阻力減小過程2過程1阻力對對象特性的影響過程2比過程1的阻力減小過程2過程111容量對對象特性的影響過程2比過程1的容量加大過程1過程2容量對對象特性的影響過程2比過程1的容量加大過程1過程212自衡且純滯后對象的動態(tài)特性純滯后（傳遞滯后）：對象均存在純滯后，它是信號傳輸和測定所致自衡且純滯后對象的動態(tài)特性純滯后（傳遞滯后）：對象均存在純滯13單容對象階躍輸入發(fā)生時間0s延時5s單容對象14無自衡能力對象的動態(tài)特性水泵的出水量和液位無關(guān)，當進水流量變換，不等于出水流量時，水被抽干或滿后溢出對象的微分方程為：無自衡能力對象的動態(tài)特性水泵的出水量和液位無關(guān)，當進水流量變15無自衡能力對象的動態(tài)特性階躍時間發(fā)生0s無自衡能力對象的動態(tài)特性16延時且無自衡能力延時5s延時且無自衡能力17三、多容對象的動態(tài)特性多容對象：生產(chǎn)過程中，大多數(shù)對象實際上由多個容量和阻力組成被調(diào)量為第二個水箱的水位其微分方程：三、多容對象的動態(tài)特性多容對象：生產(chǎn)過程中，大多數(shù)對象實際上18多容對象的階躍響應(yīng)容量滯后：被調(diào)量的變化速度并不是一開始就最大，而是要經(jīng)過一段滯后時間，多容對象對于擾動響應(yīng)在時間上存在滯后tc多容對象的階躍響應(yīng)容量滯后：被調(diào)量的變化速度并不是一開始就最19多容無自衡能力的對象多容無自衡能力的對象20多容有自衡能力延時5s階躍輸入時間0s多容21三、拉普拉斯變換和反變換拉普拉斯變換的定義：拉普拉斯反變換的定義：其中s=s+jw為復(fù)變量三、拉普拉斯變換和反變換拉普拉斯變換的定義：22四、幾種典型函數(shù)的拉氏變換單位階躍函數(shù)1(t)：單位斜坡函數(shù)四、幾種典型函數(shù)的拉氏變換單位階躍函數(shù)1(t)：23加速度函數(shù)指數(shù)函數(shù)正弦函數(shù)加速度函數(shù)24拉普拉斯變換的基本法則線性法則微分法則拉普拉斯變換的基本法則線性法則25積分法則：終值定理：位移定理積分法則：26五、拉普拉斯反變換將F(s)分解成一些簡單的有理分式函數(shù)之和，然后由拉氏變換表一一查出對應(yīng)的反變換函數(shù)。例題：五、拉普拉斯反變換將F(s)分解成一些簡單的有理分式函數(shù)之和27六、傳遞函數(shù)對上式進行拉式變換可得令則：六、傳遞函數(shù)對上式進行拉式變換可得28傳遞函數(shù)的本質(zhì)和方框圖表示原來的微分方程經(jīng)過變換后變成了一個代數(shù)方程，而拉普拉斯變換是一個線性變換，不改變原方程所反映的事物本質(zhì)，我們稱H(s)為傳遞函數(shù)，其本質(zhì)是輸出量的拉氏變化和輸入量的拉氏變換的比方框圖表示輸入輸出傳遞函數(shù)G(s)U(s)H(s)傳遞函數(shù)的本質(zhì)和方框圖表示原來的微分方程經(jīng)過變換后變成了一個29傳遞函數(shù)的幾點說明傳遞函數(shù)只適用于線性定常系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以作為系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型不能反映系統(tǒng)在非零初始條件下的全部運動規(guī)律一個傳遞函數(shù)只能表示一個輸入和一個輸出的關(guān)系，多輸入多輸出的系統(tǒng)，不可能用一個傳遞函數(shù)來表征該系統(tǒng)各變量之間的關(guān)系傳遞函數(shù)的幾點說明傳遞函數(shù)只適用于線性定常系統(tǒng)30常用的傳遞函數(shù)一階二階一階加滯后二階加滯后常用的傳遞函數(shù)一階31令T=1，K=1令T=1，K=132常見無自衡的過程的傳遞函數(shù)常見無自衡的過程的傳遞函數(shù)33§1-2熱工對象動態(tài)特性實驗測定簡單的被控過程可以通過分析過程機理，根據(jù)物料平衡和能量平衡等關(guān)系，應(yīng)用數(shù)學(xué)描述的方法，建立過程的數(shù)學(xué)模型具有較大的普遍性，對于物理和化學(xué)過程尚不清楚的復(fù)雜過程較難工程中多有非線性因素，推導(dǎo)時常做假設(shè)，可能帶來估計不到的影響，解析法得到仍希望用實驗檢驗推導(dǎo)不出數(shù)學(xué)模型時，通過實驗方法求得§1-2熱工對象動態(tài)特性實驗測定簡單的被控過程可以通過分析過34一、階躍響應(yīng)曲線的測定在過程得輸入量做階躍變化時，測定其輸出量隨時間的變化關(guān)系曲線。形象、直觀、完全描述被控過程的動態(tài)特性其傳遞函數(shù)為：一、階躍響應(yīng)曲線的測定在過程得輸入量做階躍變化時，測定其輸出35實驗裝置示意圖利用調(diào)節(jié)閥快速輸入一階躍擾動，并保持不變，對象的輸入輸出信號經(jīng)變送器后由快速記錄儀記錄ST：信號變送singletransfer被調(diào)對象快速記錄儀STST實驗裝置示意圖利用調(diào)節(jié)閥快速輸入一階躍擾動，并保持不變，對象36輸入和輸出的對比輸入和輸出的對比37實驗要點調(diào)節(jié)閥的開度做一階躍（矩形、正弦）變化（10%)，或采用在線閉環(huán)試驗法、偽隨機信號法合理選擇階躍信號值，過大影響正常生產(chǎn)，過小被控過程不真實，一般5~15%輸入階躍信號前，被控過程必須處于相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)，完成一次實驗后必須使被控過程穩(wěn)定一段時間，再進行下次實驗實驗要點調(diào)節(jié)閥的開度做一階躍（矩形、正弦）變化（10%)，或38實驗應(yīng)在相同的測試條件下重復(fù)幾次，減少干擾由于過程的非線性，實驗時應(yīng)在階躍信號作正、反方向變化時分別測得其響應(yīng)曲線，實驗應(yīng)在相同的測試條件下重復(fù)幾次，減少干擾39二、矩形脈沖響應(yīng)曲線得測定當過程時間長時間處于較大擾動信號作用下時，被控量得變化幅度可能超出實際生產(chǎn)所允許的范圍，這時可用矩形脈沖信號作為過程的輸入信號二、矩形脈沖響應(yīng)曲線得測定當過程時間長時間處于較大擾動信號作40將矩形脈沖響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成階躍響應(yīng)曲線將矩形脈沖響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)換成階躍響應(yīng)曲線41§1-3熱工對象動態(tài)特性的特征參數(shù)單容對象放大系數(shù)K1時間常數(shù)T1純時延t§1-3熱工對象動態(tài)特性的特征參數(shù)單容對象42一階有自衡能力的特性參數(shù)tT1h（∞）一階有自衡能力的特性參數(shù)tT1h（∞）43放大系數(shù)：與被調(diào)量Dh變化過程無關(guān)，只與被調(diào)量的變化終點和起點有關(guān)。是靜態(tài)參數(shù)時間常數(shù)T1：對象在階躍擾動作用下，被調(diào)量以最大的速度變化到新穩(wěn)態(tài)值時所需要的時間反映了對象在階躍擾動下，被調(diào)量變換的快慢程度，慣性大小，由容量和阻力確定純時延t（傳遞滯后）：當輸入量變化時，被控量要滯后一定的時間才開始變化放大系數(shù)：44延時無自衡能力延時且無自衡能力延時5s延時無自衡能力延時且無自衡能力45多容對象時間常數(shù)Ta延時t多容對象時間常數(shù)Ta46二階有自衡能力的特性參數(shù)t二階有自衡能力的特性參數(shù)t47雙容無自衡能力的特性參數(shù)時間常數(shù)Ta延時t飛升時間雙容無自衡能力的特性參數(shù)時間常數(shù)Ta48tT1tT149承德石油高等?？茖W(xué)校重點課程建設(shè)

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（適50第3章被控對象的動態(tài)特性主要內(nèi)容熱工對象動態(tài)特性理論分析熱工對象動態(tài)特性實驗測定熱工對象動特性的特征參數(shù)第3章被控對象的動態(tài)特性51§1-1熱工對象動態(tài)特性理論分析一、調(diào)節(jié)對象的分類按輸入輸出對象的多少分類多輸入單輸出對象多輸入多輸出對象按有無自衡能力分類有自衡能力的對象無自衡能力的對象按儲蓄容量的數(shù)量分類單容對象：只有一個儲蓄容量的對象多容對象：由多個容器和阻力組成的對象§1-1熱工對象動態(tài)特性理論分析一、調(diào)節(jié)對象的分類52輸入輸出對象的多少分類xyf1……fnx1…xnf1……fny1…yn多輸入單輸出多輸入多輸出輸入輸出對象的多少分類xyf1……fnx1f1……fny1多53按有無自衡能力分類無自衡能力有自衡能力按有無自衡能力分類無自衡能力54按有無自衡能力分類無自衡能力有自衡能力水水水按有無自衡能力分類無自衡能力55按儲蓄容量的數(shù)量分類單容對象多容對象按儲蓄容量的數(shù)量分類單容對象56二、單容對象的動態(tài)特性有自衡能力對象的動態(tài)特性穩(wěn)態(tài)時Q1=Q2Q1突然增大時液位上升Q2也逐漸增大當Q1=Q2時，新平衡建立在新的液面高度上液位高度為被調(diào)量單容對象的階躍相應(yīng)微分方程Q2Q1h1h2二、單容對象的動態(tài)特性有自衡能力對象的動態(tài)特性Q2Q1h1h57單容對象的階躍響應(yīng)曲線單容對象的階躍響應(yīng)曲線58液位控制的階躍響應(yīng)液位控制的階躍響應(yīng)59阻力對對象特性的影響過程2比過程1的阻力減小過程2過程1阻力對對象特性的影響過程2比過程1的阻力減小過程2過程160容量對對象特性的影響過程2比過程1的容量加大過程1過程2容量對對象特性的影響過程2比過程1的容量加大過程1過程261自衡且純滯后對象的動態(tài)特性純滯后（傳遞滯后）：對象均存在純滯后，它是信號傳輸和測定所致自衡且純滯后對象的動態(tài)特性純滯后（傳遞滯后）：對象均存在純滯62單容對象階躍輸入發(fā)生時間0s延時5s單容對象63無自衡能力對象的動態(tài)特性水泵的出水量和液位無關(guān)，當進水流量變換，不等于出水流量時，水被抽干或滿后溢出對象的微分方程為：無自衡能力對象的動態(tài)特性水泵的出水量和液位無關(guān)，當進水流量變64無自衡能力對象的動態(tài)特性階躍時間發(fā)生0s無自衡能力對象的動態(tài)特性65延時且無自衡能力延時5s延時且無自衡能力66三、多容對象的動態(tài)特性多容對象：生產(chǎn)過程中，大多數(shù)對象實際上由多個容量和阻力組成被調(diào)量為第二個水箱的水位其微分方程：三、多容對象的動態(tài)特性多容對象：生產(chǎn)過程中，大多數(shù)對象實際上67多容對象的階躍響應(yīng)容量滯后：被調(diào)量的變化速度并不是一開始就最大，而是要經(jīng)過一段滯后時間，多容對象對于擾動響應(yīng)在時間上存在滯后tc多容對象的階躍響應(yīng)容量滯后：被調(diào)量的變化速度并不是一開始就最68多容無自衡能力的對象多容無自衡能力的對象69多容有自衡能力延時5s階躍輸入時間0s多容70三、拉普拉斯變換和反變換拉普拉斯變換的定義：拉普拉斯反變換的定義：其中s=s+jw為復(fù)變量三、拉普拉斯變換和反變換拉普拉斯變換的定義：71四、幾種典型函數(shù)的拉氏變換單位階躍函數(shù)1(t)：單位斜坡函數(shù)四、幾種典型函數(shù)的拉氏變換單位階躍函數(shù)1(t)：72加速度函數(shù)指數(shù)函數(shù)正弦函數(shù)加速度函數(shù)73拉普拉斯變換的基本法則線性法則微分法則拉普拉斯變換的基本法則線性法則74積分法則：終值定理：位移定理積分法則：75五、拉普拉斯反變換將F(s)分解成一些簡單的有理分式函數(shù)之和，然后由拉氏變換表一一查出對應(yīng)的反變換函數(shù)。例題：五、拉普拉斯反變換將F(s)分解成一些簡單的有理分式函數(shù)之和76六、傳遞函數(shù)對上式進行拉式變換可得令則：六、傳遞函數(shù)對上式進行拉式變換可得77傳遞函數(shù)的本質(zhì)和方框圖表示原來的微分方程經(jīng)過變換后變成了一個代數(shù)方程，而拉普拉斯變換是一個線性變換，不改變原方程所反映的事物本質(zhì)，我們稱H(s)為傳遞函數(shù)，其本質(zhì)是輸出量的拉氏變化和輸入量的拉氏變換的比方框圖表示輸入輸出傳遞函數(shù)G(s)U(s)H(s)傳遞函數(shù)的本質(zhì)和方框圖表示原來的微分方程經(jīng)過變換后變成了一個78傳遞函數(shù)的幾點說明傳遞函數(shù)只適用于線性定常系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以作為系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型不能反映系統(tǒng)在非零初始條件下的全部運動規(guī)律一個傳遞函數(shù)只能表示一個輸入和一個輸出的關(guān)系，多輸入多輸出的系統(tǒng)，不可能用一個傳遞函數(shù)來表征該系統(tǒng)各變量之間的關(guān)系傳遞函數(shù)的幾點說明傳遞函數(shù)只適用于線性定常系統(tǒng)79常用的傳遞函數(shù)一階二階一階加滯后二階加滯后常用的傳遞函數(shù)一階80令T=1，K=1令T=1，K=181常見無自衡的過程的傳遞函數(shù)常見無自衡的過程的傳遞函數(shù)82§1-2熱工對象動態(tài)特性實驗測定簡單的被控過程可以通過分析過程機理，根據(jù)物料平衡和能量平衡等關(guān)系，應(yīng)用數(shù)學(xué)描述的方法，建立過程的數(shù)學(xué)模型具有較大的普遍性，對于物理和化學(xué)過程尚不清楚的復(fù)雜過程較難工程中多有非線性因素，推導(dǎo)時常做假設(shè)，可能帶來估計不到的影響，解析法得到仍希望用實驗檢驗推導(dǎo)不出數(shù)學(xué)模型時，通過實驗方法求得§1-2熱工對象動態(tài)特性實驗測定簡單的被控過程可以通過分析過83一、階躍響應(yīng)曲線的測定在過程得輸入量做階躍變化時，測定其輸出量隨時間的變化關(guān)系曲線。形象、直觀、完全描述被控過程的動態(tài)特性其傳遞函數(shù)為：一、階躍響應(yīng)曲線的測定在過程得輸入量做階躍變化時，測定其輸出84實驗裝置示意圖利用調(diào)節(jié)閥快速輸入一階躍擾動，并保持不變，對象的輸入輸出信號經(jīng)變送器后由快速記錄儀記錄ST：信號變送singletransfer被調(diào)對象快速記錄儀STST實驗裝置示意圖利用調(diào)節(jié)閥快速輸入一階躍擾動，并保持不變，對象85輸入和輸出的對比輸入和輸出的對比86實驗要點調(diào)節(jié)閥的開度做一階躍（矩形、正弦）變化（10%)，或采用在線閉環(huán)試驗法、偽隨機信號法合理選擇階躍信號值，過大影響正常生產(chǎn)，過小被控過程不真實，一般5~15%輸入階躍信號前，被控過程必須處于相對穩(wěn)定的工作狀態(tài)，完成一次實驗后必須使被控過程穩(wěn)定一段時間，再進行下次實驗實驗要點調(diào)節(jié)閥的開度做一