调系统基本原理与调对象特性

1、第1章：调节系统的基本原理与调节对象特性2012年9月制冷装置自动化讲稿1调节系统的基本原理与调节对象特性第一节 调节系统的基本概念第二节 调节过程与调节质量指标第三节 调节对象特性第四节 调节对象的数学描述第五节 发信器(测量元件)的动态特性及其微分方程式第六节 执行器及调节阀的流量特性第七节 调节对象动态特性的试验测定第八节 拉普拉斯变换与传递函数第九节 Z变换与脉冲传递函数2引言3自动调节系统及其组成4例1：房间温度调节系统5例2：溴化锂吸收式制冷机冷量调节系统6自动调节系统框图7调节系统的基本概念 1/38调节系统的基本概念 2/39调节系统的基本概念 3/310调节系统的基本原理与调

2、节对象特性第一节 调节系统的基本概念第二节 调节过程与调节质量指标第三节 调节对象特性第四节 调节对象的数学描述第五节 发信器(测量元件)的动态特性及其微分方程式第六节 执行器及调节阀的流量特性第七节 调节对象动态特性的试验测定第八节 拉普拉斯变换与传递函数第九节 Z变换与脉冲传递函数11调节过程与调节质量指标 1/612调节过程与调节质量指标 2/613调节过程与调节质量指标 3/614调节过程与调节质量指标 4/615调节过程与调节质量指标 5/616调节过程与调节质量指标 6/617调节系统的基本原理与调节对象特性第一节 调节系统的基本概念第二节 调节过程与调节质量指标第三节 调节对象特

3、性第四节 调节对象的数学描述第五节 发信器(测量元件)的动态特性及其微分方程式第六节 执行器及调节阀的流量特性第七节 调节对象动态特性的试验测定第八节 拉普拉斯变换与传递函数第九节 Z变换与脉冲传递函数18调节对象特性19容量与容量系数 1/420容量与容量系数 2/421容量与容量系数 3/422容量与容量系数 4/423放大系数（传递系数） 1/224放大系数（传递系数） 2/225自平衡的概念26飞升曲线与时间常数(a)(b)27水箱液位模型28水箱液位的反应曲线 1/229水箱液位的反应曲线 2/230单容对象与多容对象反应曲线比较31调节对象的延迟 1/232调节对象的延迟 2/23

4、3调节系统的基本原理与调节对象特性第一节 调节系统的基本概念第二节 调节过程与调节质量指标第三节 调节对象特性第四节 调节对象的数学描述第五节 发信器(测量元件)的动态特性及其微分方程式第六节 执行器及调节阀的流量特性第七节 调节对象动态特性的试验测定第八节 拉普拉斯变换与传递函数第九节 Z变换与脉冲传递函数34冷藏箱空气温度数学模型 1/735冷藏箱空气温度数学模型 2/736冷藏箱空气温度数学模型 3/737冷藏箱空气温度数学模型 4/738冷藏箱空气温度数学模型 5/739冷藏箱空气温度数学模型 6/740冷藏箱空气温度数学模型 7/741其他对象数学模型42不同对象数学模型比较43调节

5、对象微分方程列写举例 1/444调节对象微分方程列写举例 2/445调节对象微分方程列写举例 3/446调节对象微分方程列写举例 4/447调节系统的基本原理与调节对象特性第一节 调节系统的基本概念第二节 调节过程与调节质量指标第三节 调节对象特性第四节 调节对象的数学描述第五节 发信器(测量元件)的动态特性及其微分方程式第六节 执行器及调节阀的流量特性第七节 调节对象动态特性的试验测定第八节 拉普拉斯变换与传递函数第九节 Z变换与脉冲传递函数48发信器的静态特性发信器性能用其静态和动态特性表示。静态特性是指发信器的输入信号与输出信号之间的关系。用放大系数Ku表示 Ku = 输出信号 / 输入

6、信号发信器的放大系数也称为灵敏度。一般希望发信器的放大系数Ku大一些。理想的发信器是无惯性的；实际的发信器有惯性，所以要考虑其动态特性。49测温元件的动态特性 1/3无套热电偶（热电阻）：单容对象，一阶微分方程，一阶元件50测温元件的动态特性 2/3有套热电偶（热电阻）：双容对象，二阶微分方程，二阶元件51测温元件的动态特性 3/3在自动调节过程中，有套热电偶/热电阻不能迅速反应介质实际温度，造成调节器动作延误，降低调节精度、甚至造成调节系统振荡用于自动调节过程的测量元件/发信器的延迟和时间常数要尽可能小52调节系统的基本原理与调节对象特性第一节 调节系统的基本概念第二节 调节过程与调节质量指

7、标第三节 调节对象特性第四节 调节对象的数学描述第五节 发信器(测量元件)的动态特性及其微分方程式第六节 执行器及调节阀的流量特性第七节 调节对象动态特性的试验测定第八节 拉普拉斯变换与传递函数第九节 Z变换与脉冲传递函数53执行器执行器是构成自动调节系统不可缺少的重要部分，执行器在系统中的作用是根据调节器的命令，直接控制能量和物料等被调介质的输送量，达到调节温度、压力及流量等工艺参数的目的。执行器一般由执行机构和调节机关两部分组成。执行机构是执行器的推动装置，它按照调节器所给信号的大小，产生推力和位移。调节机关是执行器的调节部分，最常见的是调节阀，它受执行机构操纵，改变阀芯与阀座间的流通面积

8、，达到调节流量的目的。按执行机构使用的能源不同，执行器分为气动、电动及液动三种。54气动执行机构气动执行机构有气动薄膜执行机构和气动活塞执行机构两种基本形式。气动执行机构的优点：结构简单、动作迅速平滑、输出推力大、性能稳定可靠、维修方便、价廉、防火防爆。在空调自动调节系统中普遍使用。55气动薄膜执行机构通常接受0.020.1MPa的信号压力。动态特性：一阶惯性环节56气动活塞式执行机构无弹簧结构，输出推力大。可以用于双位动作或比例动作。57电动执行机构电动执行机构是以电为动力能源的一种执行机构。它接受来自调节器的电信号，输出推力或推力矩，带动调节阀或调节风门等动作，调节阀和风门改变被调介质（如

9、液体、蒸汽、空气等）的流量，使系统装置按预定的要求正常运行，实现自动调节。在空调自动调节系统中普遍使用。电动机构近似是一个比例环节。58调节机关 1/4在制冷装置和空调系统中，调节机关主要是指调节阀和调节风门。调节阀的阀芯与被调介质直接接触，阀杆连接执行机构的推杆，随着执行机构推杆行程的改变，阀体内的阀芯和阀座之间的流通阻力发生变化，从而达到调节介质流量的目的。调节风门用来调节空调风道系统的风量。59调节机关 2/4直通调节阀：单座、双座、套筒阀、角形阀等三通调节阀：有三个出入口与管道相连，按作用方式分为合流和分流两种60调节机关 3/4蝶阀：调节液体、气体和蒸汽流量，适用于大口径、大流量和低

10、压差的场合，在空调的小风管管道（使用单叶风门的场合）也适用。61调节机关 4/4调节风门：空调系统中为了维持温度或风压等参数，常用调节风门来调节空气流量。空调系统中，风管尺寸都较大，为了减小阀板轴的转矩，将单叶风门改为多叶风门。多叶风门有平行式和对开式。对开式风门的调节性能比平行式好，平行式风门的特性属于快开特性，只适用于双位调节。62调节阀流量特性及其选择计算选择合适的调节机关对自动调节非常重要。在选择调节阀时，必须考虑两个因素：调节阀的调节范围；调节阀的工作流量特性63调节阀流通能力C的定义及计算调节阀的流量方程流通能力C的定义是：当调节阀全开，调节阀两端压差为0.1MPa，流体密度为10

11、00kg/m3时，每小时流经调节阀的介质流量。即流通能力C的大小取决于阀门的通径和阻力系数；阻力系数取决于阀芯、阀体的结构实际上准确测定A和都比较麻烦，所以代之以容易测定的量，具体参见教材p.39-41。64调节阀的可调范围调节阀的可调范围是指调节阀所能控制的最大流量与最小流量的比值。即qmin是可调流量下限值（24%），不等于调节阀全关时的泄漏量（0.10.01%）。分为理想可调范围和实际可调范围65调节阀的理想可调范围理想可调范围：调节阀在前后压差恒定的情况下得到的可调范围为理想可调范围，即因此，理想可调范围是调节阀所能控制的最大和最小C值之比，它实质上反映了调节阀调节能力的大小。受调节阀

12、阀芯结构设计和加工工艺的限制，一般取R = 30.66调节阀的实际可调范围 1/2实际可调范围：实际上调节阀串接于管路系统中。若系统总压差p0一定，随着流量增加，管路的沿程阻力和管件局部阻力会随之增加。调节阀上的压差pT因此减小。当流量最大时(即调节阀全开时)，调节阀上的压差pT最小，反之则最大。把这种情况下的调节阀实际所能控制的最大流量和最小流量之比称为实际可调范围Rr.67调节阀的实际可调范围 2/2定义压降比S为pmin与系统总压差p0之比因此，调节阀的实际可调范围小于理想可调范围，通常 68调节阀的流量特性调节阀的流量特性是介质通过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的关系调节阀的流量特

13、性分为理想流量特性与工作流量特性。69调节阀的理想流量特性 1/3调节阀的理想流量特性取决于阀芯形状，有线性流量特性、等百分比流量特性、快开流量特性等70调节阀的理想流量特性 2/3线性流量特性是指调节阀的相对流量变化与相对开度变化成比例。大流量下不灵敏；小流量下调节过度71调节阀的理想流量特性 3/3等百分比流量特性是指调节阀单位相对行程的变化所引起的相对流量的变化与此点的相对流量成正比。72调节阀的工作流量特性 1/2在实际应用中，调节阀上的压差和管道系统的阻力都是变化的，在这样的条件下，调节阀的相对开度与相对流量之间的关系称为调节阀的工作流量特性。在串联管道中，当达到最大流量时，调节阀前

14、后的压差最小。调节阀的实际工作流量特性是否接近于它的理想流量特性，取决于压降比S。压降比S越大，越接近1，调节阀的实际工作特性越接近理想工作特性。73调节阀的工作流量特性 2/2随着S值减小，管道阻力增加，调节阀两端压差减小、全开时流量减少、实际可调范围减小，实际工作特性偏离理想工作特性。在实际使用中，一般希望S值不低于0.30.5。74调节阀公称通径的计算 1/2合理选择调节阀的公称通径。如果选的通径偏大，不仅经济性低，而且可调范围显著减小，使调节性能变差，甚至引起振动和噪声，将严重影响系统的稳定性以及阀门的使用寿命。调节阀公称通径计算步骤：1. 根据工艺条件，确定计算流量和压差；2. 用相

15、应的流通能力公式计算C值；3. 根据开度要求，圆整计算所得的C值，选取与该C值相应型号的调节阀的公称通径；4. 验算开度范围。75调节阀公称通径的计算 2/2根据调节系统需要的最大流量的110%作为调节阀的最大流量，并按此流量计算流通能力C（圆整）。根据调节系统需要的最小流量，或者再减少10%作为调节阀的最小流量，计算Cmin，验算时要求Cmin/C10%.调节阀两端的压差为系统总压差的3050% (S = 0.30.5)是较合适的。S大调节性能好但动力能损耗大，为了节能，有时取 S = 0.15.76调节阀选型算例具体计算过程与结果参见教材p.46-47。77调节系统的基本原理与调节对象特性

16、第一节 调节系统的基本概念第二节 调节过程与调节质量指标第三节 调节对象特性第四节 调节对象的数学描述第五节 发信器(测量元件)的动态特性及其微分方程式第六节 执行器及调节阀的流量特性第七节 调节对象动态特性的试验测定第八节 拉普拉斯变换与传递函数第九节 Z变换与脉冲传递函数78调节对象动态特性的试验测定79反应曲线法（飞升曲线法）1/880反应曲线法（飞升曲线法）2/881反应曲线法（飞升曲线法）3/82.182反应曲线法（飞升曲线法）4/883反应曲线法（飞升曲线法）5/884反应曲线法（飞升曲线法）6/885反应曲线法（飞升曲线法）7/886反应曲线法（飞升曲线法）8/887脉冲反应曲线

17、法（矩形波反应曲线法）矩形波反应曲线相当于二个阶跃反应曲线的叠加。88频率特性法89机组起动-运行-停车数据动态分析法90调节系统的基本原理与调节对象特性第一节 调节系统的基本概念第二节 调节过程与调节质量指标第三节 调节对象特性第四节 调节对象的数学描述第五节 发信器(测量元件)的动态特性及其微分方程式第六节 执行器及调节阀的流量特性第七节 调节对象动态特性的试验测定第八节 拉普拉斯变换与传递函数第九节 Z变换与脉冲传递函数91拉氏变换的概念Laplace变换是求解线性常微分方程常用的一种数学工具。与线性常微分方程的经典求解方法相比，Laplace变换有如下两个显著的特点：只需一步运算就可以得到微分方程的通解和特解。微分方程通过Laplace变换转化成含有s的一代数方程，然后运用简单的代数法则就可以得到代数方程在s域上的解，而只要再作一次Laplace反变换就可以得到最终我们所需的时域上的解。92拉氏变换的定义定义：已知有实函数f(t),，其Laplace变换为：条件是式中等号右边的积分存在(收敛)。式中的 s 被称为是Laplace算子，它是一个复数变量，即有Laplace变换这个平面就被我们称为是S域或复数域93调