热工过程自动控制 课件ch04 - part 2.ppt

北京理工大学珠海学院,4,热工过程自动调节系统的分析和整定,教学目标：掌握热工对象的动态特性掌握目前在热工过程自动调节系统中应用最为广泛的PID调节器及其规律掌握通过控制调节器的比例带、积分时间、微分时间三个参数来整定单回路调节系统和串级调节,热工对象的动态特性,控制系统设计任务：根据被控对象的动态特性，选择和设计控制器使系统满足规定的性能指标。,被控对象的动态特性：1）不振荡环节2）有无自平衡能力3）被调量与调节对象的关系,选择控制：1）PID控制器2）P、PI、PD控制器,设计控制器：调节比例带、积分时间、微分时间三个参数，使系统性能最优,热工对象的动态特性,控制对象：各种具体热工设备，例如热工过程中的各种热交换器，加热炉、锅炉、贮液罐及流体输送设备等,调节对象的动态特性,控制系统的结构,控制器的参数,热工对象的动态特性,热工对象的共同特点：1）不振荡环节（安全运行的要求）；2）热工对象内部过程的物理性能比较复杂,通过实验来获得对象的动态特性,有自平衡能力,无自平衡能力,阶跃响应,（1）、具有一个被调量的对象,通道：对象的输入量至输出量的信号联系；,控制通道：控制作用到输出量(被调量)的信号联系；干扰通道：干扰作用至输出量的信号联系；,热工对象的动态特性,3）被调量与调节对象的关系,热工对象的动态特性,内扰:经过调节通道作用到对象上的扰动称为“内部扰动”或“基本扰动”；外扰:经过干扰通道作用到对象上的扰动称为“外部扰动”;,不同信号通道的传递函数(或微分方程)不同,热工对象的动态特性,扰动是随机的、短暂的、一次发生的，它的动态特性只影响被调量的幅值,调节通道的动态特性是整定调节系统的依据,热工对象的动态特性,（2）、具有几个被调量的调节对象,调节作用的数目=被调量的数目,a）.调节对象被分为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。例如：汽包锅炉的调节，通常是把它划分为给水、汽温、汽压等几个调节区域，每个独立的调节区域，可按照具有一个被调量的调节对象来处理。,热工对象的动态特性,b)综合调节：每一个调节作用除了影响“自己的”被调量外，还影响其他的被调量。,(一)无自平衡能力的对象,用特征参数近似表示对象的动态特性,将式(Q1K)代入上式：,用特征参数近似表示对象的动态特性,用特征参数近似表示对象的动态特性,求无自平衡能力系统的传递函数,用特征参数近似表示对象的动态特性,(一)无自平衡能力的对象三个特征参数：1.飞升速度：在单位阶跃扰动下，输出y(t)的最大变化速度。2.响应时间Ta：输出y(t)如一开始就以最大速度变化上升到输入x0的时间。3.延迟时间：y(t)的渐近线在时间轴上所截取的长度。,1.飞升速度,由渐近线得到,用特征参数近似表示对象的动态特性,2.响应时间Ta,飞升速度的倒数,用特征参数近似表示对象的动态特性,3.延迟时间,用特征参数近似表示对象的动态特性,反映了对象在阶跃输入作用下，输出量的变化速度由零变到接近于渐近线的斜率的快慢,(二)有自平衡能力的对象,用特征参数近似表示对象的动态特性,用特征参数近似表示对象的动态特性,(二)有自平衡能力的对象,用实验方法求取对象动态特性1）阀门2的开度保持不变，即不存在外部扰动，先调整阀门1流入量和流出量相等，液位h稳定在某个高度上不变，起始的稳定工况。2）在tt0瞬间突然把阀门1开大0，流入量Q1成比例阶跃增大Q1。流出阀的开度保持不变，则暂时Q2不变。tt0时刻有不平衡流量QQ10Q1Q20Q1所以液位h开始上升，且上升速度与Q成正比。3）这时流出量Q2就会随着液位h的升高而增大，可见QQ1Q2越来越小，因此液位上升速度越来越慢，直到Q2重新和Q1相等液位停止变化，建立一个新的平衡状态(稳定在一个新的值)。该曲线称为单容水槽的动态特性曲线或单容水槽的阶跃响应曲线或称为液位飞升过程。,用特征参数近似表示对象的动态特性,(二)有自平衡能力的对象,用特征参数近似表示对象的动态特性,(二)有自平衡能力的对象,控制阀开度与流入量Q1之间的关系满足下列关系式Q1K,当水槽液位h变化(如上升)时，流出阀进出口的水压变化，因而引起流出量Q2变化。,阀门阻力Rs可近似看成常数,用特征参数近似表示对象的动态特性,将上式写成标准形式,TFRsKKRs式中T对象的惯性时间常数K对象的放大系数,用特征参数近似表示对象的动态特性,h(t)=K0（1et/T）,微分方程,阶跃响应,传递函数,(二)有自平衡能力的对象三个特征参数：1.延迟时间：y(t)的渐近线在时间轴上所截取的长度。2.自平衡系数：表征对象的自平衡能力3.时间常数Tc：输出y(t)如一开始就以最大速度变化上升到输入x0的时间。4.飞升速度：在单位阶跃扰动下，输出y(t)的最大变化速度。,用特征参数近似表示对象的动态特性,用特征参数近似表示对象的动态特性,1.延迟时间,延迟时间，是传递函数中的一个参数,用特征参数近似表示对象的动态特性,2.自平衡系数,越大，在同样的扰动下，输出量的稳态值越小，的倒数是对象的静态放大系数K,阶跃输入量的幅值,用特征参数近似表示对象的动态特性,3.时间常数Tc,用特征参数近似表示对象的动态特性,4.飞升速度在单位阶跃扰动下，输出y(t)的最大变化速度。,认为无自平衡能力对象的自平衡率为=0，那么所有的热工对象都可以用以下三个特征参数来描述1）飞升速度2）自平衡率3）延迟时间,用特征参数近似表示对象的动态特性,作业：什么是有自平衡能力对象和无自平衡能力对象,4.2调节规律和调节器,三种基本的调节规律1）比例（P）调节规律2）积分（I）调节规律3）微分（D）调节规律,4.2调节规律和调节器,调节规律：当偏差e不为零时，调节量m的变化规律,4.2调节规律和调节器,1）比例（P）调节规律,调节量m与偏差e成正比,放大系数,比例带,微分方程,传递函数,2）积分（I）调节规律使调节量m与偏差e对时间的积分成比例,4.2调节规律和调节器,微分方程,传递函数,积分时间,积分速度,3）微分（D）调节规律调节作用与偏差的变化速度成比例,4.2调节规律和调节器,微分方程,传递函数,微分时间,解：闭环传递函数为：,当T不变时，T=0.25，,作业：调节系统如下图所示：(1)确定系统稳定时，K值的范围；（2）如果要求闭环系统的根全部位于s=-1垂线之左，K值范围应取多大？,CH3系统分析-劳斯稳定判据,解：求传递函数,特征方程,劳斯阵列,将s=s1-1代入,整理得,劳斯阵列,4.2调节规律和调节器,三种基本的调节规律1）比例（P）调节规律2）积分（I）调节规律3）微分（D）调节规律,4.2调节规律和调节器,调节规律：当偏差e不为零时，调节量m的变化规律,三种基本调节作用分析,4.2调节规律和调节器,1）比例（P）调节规律,微分方程,传递函数,特点2：m(t)和e(t)有一一对应的关系，调节的结果是被调量存在着静态偏差。,特点1：无惯性、无延迟、动作快，对干扰能及时并有很强的抑制作用。,动作规律：m(t)和e(t)的大小成比例，偏差e(t)的变化速度越大，m(t)的变化速度越大,三种基本调节作用分析2）积分（I）调节规律,4.2调节规律和调节器,微分方程,传递函数,特点2：调节作用随着时间逐渐增强，相对迟缓，恶化了动态品质，使过渡过程振荡加剧，不稳定。,特点1：可以消除静态偏差,动作规律：只要e(t)存在，dm(t)/dt不为零，执行机构会不停的动作，且e(t)越大，dm(t)/dt越大，只有当e(t)为零时，dm(t)/dt为零，调节过程才结束，系统才平衡,很少单独使用,三种基本调节作用分析3）微分（D）调节规律,4.2调节规律和调节器,微分方程,传递函数,特点2：对恒定不变的偏差没有克服能力，不能满足调节的要求。,特点1：具有超前的调节作用，有利于克服动态偏差,动作规律：调节开始时，e(t)小，但变化速度快，可使调节机构产生较大的位移，调节结束时，de(t)/dt为零时，m(t)为零，执行机构会停止动作。,不能够单独使用,P调节器:只有比例调节的作用,4.2调节规律和调节器,特点：调节速度快，但是有静态偏差,如果要克服系统的静态偏差,可增加积分调节,比例调节器的阶跃响应曲线,PI调节器：具有比例和积分调节的作用,4.2调节规律和调节器,有两个调节参数，KP和KI或和TI,当TI趋近于时，就变成比例调节器，当TI趋近于0时，就变成积分调节器,积分时间TI越小，积分作用越强，比例带会影响比例作用和积分作用的强弱。,4.2调节规律和调节器,特点：调节速度快，无静态偏差，有动态偏差,如果要克服系统的动态偏差,可增加微分调节,t=TI,PD调节器：具有比例和微分调节的作用,4.2调节规律和调节器,有两个调节参数，KP和KD或和TD,当TD趋近于0时，就变成比例调节器，当TD趋近于时，就变成微分调节器,积分时间TD越大，微分作用越强，比例带会影响比例作用和微分作用的强弱。,特点：调节速度快，动态偏差小，有静态偏差,如果要克服系统的静态偏差,可增加积分调节,比例微分作用调节器的响应曲线,4.2调节规律和调节器,4.2调节规律和调节器,实际微分环节,PID调节器,4.2调节规律和调节器,单回路调节系统的组成框图,PID调节器的组成框图,P、I、D并联,4.2调节规律和调节器,比例调节,积分调节,微分调节,PID调节器,4.2调节规律和调节器,4.3系统的整定分析,调节系统的性能取决与比例带、积分时间、微分时间,可用理论计算和实验两种方法得到最优参数,复杂系统,工程整定法,一、比例带对调节质量的影响,4.3系统的整定分析,一、对衰减率的影响单容对象采用比例调节，不会产生振荡，为非周期调节过程。二阶及二阶以上的被调对象采用比例调节会产生振荡。比例带越小，比例调节作用越强烈，振荡越剧烈，衰减率越大。,4.3系统的整定分析,一、对静态偏差