热工对象动态特性和 自动调节器.pptx

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1、会计学1热工对象动态特性和热工对象动态特性和 自动调节器自动调节器2023/4/172第一节第一节 热工对象动热工对象动态特性态特性The Dynamic Characteristic of Thermal Object 1 1调节对象被划分成若干个独立的调节区域，每调节对象被划分成若干个独立的调节区域，每一个调节作用只对一个被调量起作用。一个调节作用只对一个被调量起作用。2 2具有多个被调量的调节对象有相应个数的调节具有多个被调量的调节对象有相应个数的调节作用，这些被调量互相之间保持一定的关系；或者通作用，这些被调量互相之间保持一定的关系；或者通过共同的调节对象相互起影响，但不能独立调节，因

2、过共同的调节对象相互起影响，但不能独立调节，因而要采用所谓而要采用所谓“综合调节综合调节”。一具有一个被调量的对象二具有几个被调量的调节对象第第2页页/共共44页页第1页/共44页2023/4/1731有自平衡能力对象有自平衡能力对象 自平衡能力的概念自平衡能力的概念 作图：有自平衡能力对象的阶跃响应曲线作图：有自平衡能力对象的阶跃响应曲线三热工对象的动态特性第第3页页/共共44页页第2页/共44页2023/4/174(1)自平衡率自平衡率(self-equlibriumcoefficient)式中式中 0阶跃输入量的幅值阶跃输入量的幅值 衡量了对象自平衡能力的大小。衡量了对象自平衡能力的大小

3、。特征参数：第第4页页/共共44页页第3页/共44页2023/4/175n n(2)(2)时间常数时间常数时间常数时间常数(time(time constant)Tcconstant)Tcn n 输出量以曲线上的输出量以曲线上的输出量以曲线上的输出量以曲线上的最大速度（即阶跃响应最大速度（即阶跃响应最大速度（即阶跃响应最大速度（即阶跃响应曲线上拐点曲线上拐点曲线上拐点曲线上拐点q q处的速度）处的速度）处的速度）处的速度）变化，则从起始值至最变化，则从起始值至最变化，则从起始值至最变化，则从起始值至最终值所需的时间，就是终值所需的时间，就是终值所需的时间，就是终值所需的时间，就是对象的时间常数

4、对象的时间常数对象的时间常数对象的时间常数Tc Tc，第第5页页/共共44页页第4页/共44页2023/4/176n n飞升速度飞升速度:在单位在单位阶跃扰动作用下，阶跃扰动作用下，输出量的最大变化输出量的最大变化速度速度第第6页页/共共44页页第5页/共44页2023/4/177有自平衡能力对象一般可表示:第第7页页/共共44页页第6页/共44页2023/4/178 无自平衡能力的概念无自平衡能力的概念 作图：无自平衡能力对象的阶跃响应曲线。作图：无自平衡能力对象的阶跃响应曲线。2.无自平衡能力的对象第第8页页/共共44页页第7页/共44页2023/4/179(1)迟延时间 特征参数：第第9

5、页页/共共44页页第8页/共44页2023/4/1710 (2)飞飞升速度（响应速度）升速度（响应速度）式中0阶跃输入量的幅值。表示当输入信号为单位阶跃信号时，输出量的最大变化速度。第第10页页/共共44页页第9页/共44页2023/4/1711无自平衡能力对象一般可表示为：第第11页页/共共44页页第10页/共44页2023/4/1712第二节第二节调节器的动调节器的动态特性态特性 The Dynamic Characteristic of Regulator一一调节器的调节规律调节器的调节规律传递函数为：传递函数为：式中：式中：KP比例放大系数，其倒数比例放大系数，其倒数 称为比称为比 例

6、带例带 KI积分放大系数积分放大系数 KD微分放大系数微分放大系数第第12页页/共共44页页第11页/共44页2023/4/1713-比例放大系数比例放大系数(proportionalactionfactor)-比例带比例带(proportionalband)举比例调节器（杠杆）调节水箱水位的实举比例调节器（杠杆）调节水箱水位的实例例二三种基本调节作用分析二三种基本调节作用分析1比例调节作用（简称P作用）（Proportional action）动态方程为：传递函数为：第第13页页/共共44页页第12页/共44页2023/4/1714 动作快，对干扰能及时并有很强的抑制动作快，对干扰能及时并有

7、很强的抑制 作用，但由于执行机构的位移作用，但由于执行机构的位移与被调量的偏差与被调量的偏差e有一有一 一对应关系，所以调节的结果是被调量存在着静态偏差。一对应关系，所以调节的结果是被调量存在着静态偏差。比例调节作用的特点:动态方程为：或2积分调节作用（简称作用）(Integral action)传递函数为：第第14页页/共共44页页第13页/共44页2023/4/1715动态方程为：动态方程为：比例积分调节器调节水箱水位的实例 积分调节作用的特点：优点是能消除静态偏差。但由于积分 调节作用是随时间而逐渐增强的，与比例调节作用相比较 过于迟缓，所以在改善静态品质的同时却恶化了动态品质，使过渡过

8、程的振荡加剧，甚至造成系统不稳定。3微分调节作用（简称D作用）(Derivative action)传递函数为：第第15页页/共共44页页第14页/共44页2023/4/1716具有超前的调节作用；只有单纯微分调节作用的调节器在具有超前的调节作用；只有单纯微分调节作用的调节器在工业上是不能使用的，微分调节作用只能作为工业调节器调工业上是不能使用的，微分调节作用只能作为工业调节器调节作用的一个组成部分。节作用的一个组成部分。微分调节作用的特点：第第16页页/共共44页页第15页/共44页2023/4/17174 4 PID PID调节调节 n n4.1 PID调节器的优点 n n4.1 PID调

9、节器的作用 返回本章首页第第17页页/共共44页页第16页/共44页2023/4/17184.1 PID调节器的优点调节器的优点 n nPID调节器之所以经久不衰，主要有以下优点。n n1.技术成熟 n n2.易被人们熟悉和掌握 n n3.不需要建立数学模型 n n4.控制效果好 返回本节第第18页页/共共44页页第17页/共44页2023/4/17194.2 PID调节器的作用调节器的作用 n n1.比例调节器 n n2.比例积分调节器n n3.比例微分调节器 n n4.比例积分微分调节器 第第19页页/共共44页页第18页/共44页2023/4/17201.比例调节器比例调节器 n n比例

10、调节器的微分方程为：比例调节器的微分方程为：n n y=Ky=KP Pe(t)e(t)（4-14-1）n n式中：式中：n ny y为调节器输出；为调节器输出；K Kp p为比例系数；为比例系数；e(t)e(t)为调节器输入偏差。为调节器输入偏差。n n由由上上式式可可以以看看出出，调调节节器器的的输输出出与与输输入入偏偏差差成成正正比比。因因此此，只只要要偏偏差差出出现现，就就能能及及时时地地产产生生与与之之成成比比例例的的调调节节作作用用，具具有有调调节节及及时时的的特特点点。比例调节器的特性曲线，如图比例调节器的特性曲线，如图4-14-1所示。所示。第第20页页/共共44页页第19页/共

11、44页2023/4/1721图图4-1阶跃响应特性曲线阶跃响应特性曲线第第21页页/共共44页页第20页/共44页2023/4/1722tPID参数对系统动静态特性的影响比例（比例（P P）控制）控制第第22页页/共共44页页第21页/共44页2023/4/17232.比例积分调节器比例积分调节器n n2.比例积分调节器n n所谓积分作用是指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。积分方程为：式中：式中：TI是积分时间常数，它表示积分速度的大小，是积分时间常数，它表示积分速度的大小，TI越大，越大，积分速度越慢，积分作用越弱。积分作用的响应特性积分速度越慢，积分作用越弱。积分作用的响应特性曲

12、线，如图曲线，如图4-2所示。所示。第第23页页/共共44页页第22页/共44页2023/4/1724图图4-2积分作用响应曲线积分作用响应曲线第第24页页/共共44页页第23页/共44页2023/4/1725n n若将比例和积分两种作用结合起来，就构成PI调节器，调节规律为：PI调节器的输出特性曲线如图调节器的输出特性曲线如图4-3所示。所示。第24页/共44页2023/4/1726图图4-3PI调节器的输出特性曲线调节器的输出特性曲线第25页/共44页2023/4/1727第26页/共44页2023/4/17283.比例微分调节器比例微分调节器 n n微分调节器的微分方程为：微分作用响应曲

13、线如图微分作用响应曲线如图4-4所示。所示。第27页/共44页2023/4/1729n nPD调节器的阶跃响应曲线如图4-5所示。第28页/共44页2023/4/1730第29页/共44页2023/4/17314.比例积分微分调节器比例积分微分调节器 n n为了进一步改善调节品质，往往把比例、积分、微分三种作用组合起来，形成PID调节器。理想的PID微分方程为：第30页/共44页2023/4/1732n n图图4-6 PID4-6 PID调节器对阶跃响应特性曲线调节器对阶跃响应特性曲线返回本节第31页/共44页2023/4/1733第32页/共44页2023/4/17344不同类调节器的调节品

14、质比较第33页/共44页2023/4/1735（2）I调节器，具有比P调节器更大的超调量，因为积分特性是缓慢作用的，但它没有静态误差。（3）PI调节器，综合了P调节器和I调节器两者的性质。它的超调量及调节时间与P调节器差不多，但没有静态误差。（4）PD调节器，具有较上述（1）至（3）调节器为小的超调量；还存在一个静态误差，比P调节器小。（5）PID调节器综合了PI和PD调节器的特点，它具有比PD调节还要小的超调量，积分作用消除了静态误差，但由于积分作用的引入，调节时间比PD调节器要长。（1）P调节器，有一个相对较大的超调量C(t)max/k，有较长的调节时间t3%，存在一个静态误差。第34页/

15、共44页2023/4/1736比例积分微分比例积分微分比例积分微分比例积分微分(PID)(PID)调节器调节器调节器调节器 PIDPID（比例（比例积分积分微分）调节器在工业控制中得到广泛微分）调节器在工业控制中得到广泛地应用。它有如下特点：地应用。它有如下特点：1.1.1.1.对系统的模型要求低对系统的模型要求低对系统的模型要求低对系统的模型要求低 实际系统要建立精确的模型往往很困难。而实际系统要建立精确的模型往往很困难。而PIDPID调节器调节器对模型要求不高，甚至在模型未知的情况下，也能进行调节。对模型要求不高，甚至在模型未知的情况下，也能进行调节。2.2.2.2.调节方便调节方便调节方

16、便调节方便 调节作用相互独立，最后以求和的形式出现的，人们可改调节作用相互独立，最后以求和的形式出现的，人们可改变其中的某一种调节规律，大大地增加了使用的灵活性。变其中的某一种调节规律，大大地增加了使用的灵活性。3.3.3.3.适应范围较广适应范围较广适应范围较广适应范围较广 一般校正装置，系统参数改变，调节效果差，而一般校正装置，系统参数改变，调节效果差，而PIDPID调节器调节器的适应范围广，在一定的变化区间中，仍有很好的调节效果。的适应范围广，在一定的变化区间中，仍有很好的调节效果。第35页/共44页2023/4/1737第三节第三节工业调节器调工业调节器调节规律的实现方法节规律的实现方

17、法 The Regulation Law and The Realization Methods for Industrial Regulator第36页/共44页2023/4/1738调节器的传递函数：调节器的传递函数：目前工业调节器可分为模拟式调节器和数字式调节器两大类。一模拟式调节器调节规律的实现方法1反馈原理第37页/共44页2023/4/1739则可得调节器传递函数：则可得调节器传递函数：该式表示了一个该式表示了一个PIPI调节规律，其比例放大系数为：调节规律，其比例放大系数为：（1）若采用惯性环节反馈，其传递函数为:因此，在 时有：此时调节器传递特性仅由反馈环节决定。第38页/共44页2023/4/1740（2 2）若采用实际微分环节作为反馈，其传递函数为：）若采用实际微分环节作为反馈，其传递函数为：则可得调节器传递函数：该式表示了一个PD调节规律，其比例放大系数为：第39页/共44页2023/4/17412、由运算放大器实现的调节器P调节器电路图 第40页/共44页2023/4/1742 ,比例 求和 ,第41页/共44页2023/4/1743积分 惯性,第42页/共44页2023/4/1744比例微分 比例积分 ,第43页/共44页