热工过程自动控制课件ch04-part1

1、北京理工大学珠海学院北京理工大学珠海学院热工过程自动调节系统的分析和整定热工过程自动调节系统的分析和整定4热工过程自动调节系统的分析和整定热工过程自动调节系统的分析和整定v教学目标：教学目标：v掌握热工对象的动态特性掌握热工对象的动态特性v掌握目前在热工过程自动调节系统中应用最为广掌握目前在热工过程自动调节系统中应用最为广泛的泛的PID调节器及其规律调节器及其规律v掌握通过控制调节器的比例带、积分时间、微分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热工对象的动态特性v控制系统设计任务：根据控制

2、系统设计任务：根据被控对象的动态特性被控对象的动态特性，选择和设计控制器选择和设计控制器使系统满足规定的性能指标。使系统满足规定的性能指标。v被控对象的动态特性：被控对象的动态特性： 1）不振荡环节）不振荡环节 2）有无自平衡能力）有无自平衡能力 3）被调量与调节对象的关系）被调量与调节对象的关系v选择控制：选择控制：1）PID控制器控制器 2）P、PI、PD控制器控制器v设计控制器：设计控制器：调节比例带、积分时间、微分时间三调节比例带、积分时间、微分时间三个参数，使系统性能最优个参数，使系统性能最优热工对象的动态特性热工对象的动态特性v控制对象：控制对象：各种具体热工设备各种具体热工设备，

3、例如热工过程，例如热工过程中的各种热交换器，加热炉、锅炉、贮液罐及中的各种热交换器，加热炉、锅炉、贮液罐及流体输送设备等流体输送设备等 调节对象的动态特性调节对象的动态特性控制系统的结构控制系统的结构控制器的参数控制器的参数热工对象的动态特性热工对象的动态特性v热工对象的共同特点：热工对象的共同特点：1）不振荡环节（安全运行的要求）；）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）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通过实验来获得对象的动态特性tthBAt0t0t0hh有自平衡能力有自平衡能力无自平衡能力无自平衡能力阶跃响应阶跃响应v（1）、具

4、有一个被调量的对象）、具有一个被调量的对象 v通道：对象的输入量至输通道：对象的输入量至输出量的信号联系；出量的信号联系；v控制通道：控制作用到输出量控制通道：控制作用到输出量(被调量被调量)的信号的信号联系；联系；v干扰通道：干扰作用至输出量的信号联系；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热工对象的动态特性3）被调量与调节对象的关系）被调量与调节对象的关系热工对象的动态特性热工对象的动态特性v内扰内扰: 经过调节通道作用到对象上的扰动称为经过调节通道作用到对象上的扰动称为“内部内部扰动扰动”或或“基本扰动基本扰动” ；v外扰外扰: 经过干扰通道作用到对象上的扰动称为经过干

5、扰通道作用到对象上的扰动称为“外部外部扰动扰动”;不同信号通道的传递函数不同信号通道的传递函数(或微分方程或微分方程)不同不同 热工对象的动态特性热工对象的动态特性扰动扰动是随机的、短暂的、一次发生的，它的是随机的、短暂的、一次发生的，它的动态特性只影响动态特性只影响被调量的幅值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热工对象的动态特性v（2）、具有几个被调量的调节对象）、具有几个被调量的调节对象调节作用的数目调节作用的数目=被调量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，每调节对象被分为若干个独立的调节区域

6、，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。例如：汽包锅炉的调节，通常是把它划分为给水、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。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综合调节：每一个调节作用除了影响“自己的自己的”被调量外，还影响其他的被调量。被调量外，还影响其他的被调量。 (一一 )无自平衡能力的对象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用特征参数

7、近似表示对象的动态特性1Q2QkvFvh无自平衡单容对象无自平衡单容对象v1QdtdhF21QQdtdhF将式将式(Q1K)代入上式：代入上式：KdtdhFFKdtdhtFKth0)(000tttt10Q20QQ2Q1Q0t0t0hhaT0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KdtdhF求无自平衡能力系统的传递函数求无自平衡能力系统的传递函数)()(sFKsSHSTSFKssHGa11)()()s (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(一一 )无自平衡能力的对象无自平衡能力

8、的对象三个特征参数：三个特征参数：1.飞升速度飞升速度：在单位阶跃扰动下，输出：在单位阶跃扰动下，输出y(t)的最大变的最大变化速度。化速度。2.响应时间响应时间Ta：输出：输出y(t)如一开始就以最大速度变化如一开始就以最大速度变化上升到输入上升到输入x0的时间。的时间。3.延迟时间延迟时间：y(t)的渐近线在时间轴上所截取的长度。的渐近线在时间轴上所截取的长度。1.飞升速度飞升速度0 xdtdyt 由渐近线得到由渐近线得到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2.响应时间响应时间TatdtdyxT0a飞升速度的倒数飞升速度的倒数用特征参数近似表示对象的动态特性用特

9、征参数近似表示对象的动态特性3.延迟时间延迟时间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反映了对象在阶跃输入作用下，输出量的变化反映了对象在阶跃输入作用下，输出量的变化速度由速度由零零变到接近于变到接近于渐近线的斜率渐近线的斜率的快慢的快慢(二二)有自平衡能力的对象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11Q2QksR2Fh图图2-2 有自平衡单容对象有自平衡单容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(二二)有自平衡能力的对象有自平衡能力的对象v 用实验方法求取对象动态特性用实验方法求取对象动态特

10、性1）阀门）阀门2的开度保持不变，即不存在外部扰动，先调整阀门的开度保持不变，即不存在外部扰动，先调整阀门1流入量和流流入量和流出量相等，液位出量相等，液位h稳定在某个高度上不变，起始的稳定工况。稳定在某个高度上不变，起始的稳定工况。2）在）在tt0瞬间突然把阀门瞬间突然把阀门1开大开大0，流入量，流入量Q1成比例阶跃增大成比例阶跃增大Q1。流出阀的开度保持不变，则暂时。流出阀的开度保持不变，则暂时Q2不变。不变。tt0时刻有不平衡流量时刻有不平衡流量QQ10Q1Q20Q1所以液位所以液位h开始上升，且上升速度与开始上升，且上升速度与Q成正比。成正比。3）这时流出量）这时流出量Q2就会随着液位

11、就会随着液位h的升高而增大，可见的升高而增大，可见QQ1Q2越来越小，因此液位上升速度越来越慢，直到越来越小，因此液位上升速度越来越慢，直到Q2重新和重新和Q1相等相等液位停止变化，建立一个新的平衡状态液位停止变化，建立一个新的平衡状态(稳定在一个新的值稳定在一个新的值)。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。位飞升过程。000tttt10Q20QQ2Q1Q0t0t0hhdh)(hdG有自平衡单容对象的阶跃响应曲线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(二二)有自平衡

12、能力的对象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(二二)有自平衡能力的对象有自平衡能力的对象21QQdtdhF控制阀开度控制阀开度与流入量与流入量Q1之间的关系满足下列关系式之间的关系满足下列关系式Q1K 当水槽液位当水槽液位h变化变化(如上升如上升)时，流出阀进出口的水压时，流出阀进出口的水压变化，因而引起流出量变化，因而引起流出量Q2变化。变化。 阀门阻力阀门阻力Rs可近似看成常数可近似看成常数 2QhRS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SSRKhdtdhFR将上式写成标准形式KhdtdhT TFRs KKRs式中

13、 T对象的惯性时间常数 K对象的放大系数SSRKhdtdhFRKhdtdhT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h(t)=K0（1et/T） 1)()(TSkssHKhdtdhT微分方程微分方程阶跃响应阶跃响应传递函数传递函数(二二)有自平衡能力的对象有自平衡能力的对象三个特征参数：三个特征参数：1.延迟时间延迟时间：y(t)的渐近线在时间轴上所截取的的渐近线在时间轴上所截取的长度。长度。2.自平衡系数自平衡系数：表征对象的自平衡能力表征对象的自平衡能力3.时间常数时间常数Tc：输出输出y(t)如一开始就以最大速度变如一开始就以最大速度变化上升到输入化上升到输入x0

14、的时间。的时间。4.飞升速度飞升速度：在单位阶跃扰动下，输出在单位阶跃扰动下，输出y(t)的最的最大变化速度。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.延迟时间延迟时间延迟时间，是传递函数中的一个参数延迟时间，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用特征参数近似表示对象的动态特性2.自平衡系数自平衡系数)(0yx越大，在同样的扰动下，输出量的稳态值越小，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的倒数是对象的静态放大系数K阶跃输入量的幅值阶跃输入量的

15、幅值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3.时间常数时间常数TcAtdtdyyTtc)(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4.飞升速度飞升速度 在单位阶跃扰动下，输出在单位阶跃扰动下，输出y(t)的最大变化速度。的最大变化速度。0txdtdyAtc1t00tTydtdyyxxdtdyAAttyx0由定义知，认为无自平衡能力对象的自平衡率为认为无自平衡能力对象的自平衡率为=0，那么，那么所有的热工对象都可以用以下三个特征参数来所有的热工对象都可以用以下三个特征参数来描述描述1）飞升速度）飞升速度2）自平衡率）自平衡率3）延迟时间）延迟时间

16、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作业：什么是有自平衡能力对象和无自平衡能力对作业：什么是有自平衡能力对象和无自平衡能力对象象4.2调节规律和调节器调节规律和调节器v三种基本的调节规律三种基本的调节规律1）比例（）比例（P）调节规律）调节规律2）积分（）积分（I）调节规律）调节规律3）微分（）微分（D）调节规律）调节规律4.2调节规律和调节器调节规律和调节器调节规律：当偏差调节规律：当偏差e不为零时，调节量不为零时，调节量m的变化规律的变化规律)(1)()(teteKtmp4.2调节规律和调节器调节规律和调节器1）比例（）比例（P）调节规律）调节规律调节量调节量m

17、与偏差与偏差e成正比成正比1)(pKsG放大系数放大系数比例带比例带微分方程微分方程传递函数传递函数2）积分（）积分（I）调节规律）调节规律使调节量使调节量m与偏差与偏差e对时间的积分成比例对时间的积分成比例tItIdtteTdtteKtm00)(1)()(4.2调节规律和调节器调节规律和调节器微分方程微分方程传递函数传递函数s1s) s (IITKG积分时间积分时间积分速度积分速度3）微分（）微分（D）调节规律）调节规律调节作用与偏差的变化速度成比例调节作用与偏差的变化速度成比例dttdeTdttdeKtmDD)()()(4.2调节规律和调节器调节规律和调节器微分方程微分方程传递函数传递函数sKsGD)(微分时间微分时间PID调节器调节器4.2调节规律和调节器调节规律和调节器单回路调节系统的组成框图单回路调节系统的组成框图PID调节器的组成框图调节器的组成框图vP、I、D并联并联)()()()(321sGsGsGsGpKsG)(sKGI/) s (4.2调节规律和调节器调节规律和调节器sKsGD)()11 (111)(sTsTsKKsKKKsKsKKsGDIPDPIPDIpPID）（微分时间积分时间：比例带:DITT比例调节比例调节积分调节积分调节微分调节微分调节PID调节器调节器P调节器调