教学第3章热工对象的动态特性课件

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（适1第3章被控对象的动态特性主要内容热工对象动态特性理论分析热工对象动态特性实验测定热工对象动特性的特征参数第3章被控对象的动态特性2§1-1热工对象动态特性理论分析一、调节对象的分类按输入输出对象的多少分类多输入单输出对象多输入多输出对象按有无自衡能力分类有自衡能力的对象无自衡能力的对象按储蓄容量的数量分类单容对象：只有一个储蓄容量的对象多容对象：由多个容器和阻力组成的对象§1-1热工对象动态特性理论分析一、调节对象的分类3输入输出对象的多少分类xyf1……fnx1…xnf1……fny1…yn多输入单输出多输入多输出输入输出对象的多少分类xyf1……fnx1f1……fny1多4按有无自衡能力分类无自衡能力有自衡能力按有无自衡能力分类无自衡能力5按有无自衡能力分类无自衡能力有自衡能力水水水按有无自衡能力分类无自衡能力6按储蓄容量的数量分类单容对象多容对象按储蓄容量的数量分类单容对象7二、单容对象的动态特性有自衡能力对象的动态特性稳态时Q1=Q2Q1突然增大时液位上升Q2也逐渐增大当Q1=Q2时，新平衡建立在新的液面高度上液位高度为被调量单容对象的阶跃相应微分方程Q2Q1h1h2二、单容对象的动态特性有自衡能力对象的动态特性Q2Q1h1h8单容对象的阶跃响应曲线单容对象的阶跃响应曲线9液位控制的阶跃响应液位控制的阶跃响应10阻力对对象特性的影响过程2比过程1的阻力减小过程2过程1阻力对对象特性的影响过程2比过程1的阻力减小过程2过程111容量对对象特性的影响过程2比过程1的容量加大过程1过程2容量对对象特性的影响过程2比过程1的容量加大过程1过程212自衡且纯滞后对象的动态特性纯滞后（传递滞后）：对象均存在纯滞后，它是信号传输和测定所致自衡且纯滞后对象的动态特性纯滞后（传递滞后）：对象均存在纯滞13单容对象阶跃输入发生时间0s延时5s单容对象14无自衡能力对象的动态特性水泵的出水量和液位无关，当进水流量变换，不等于出水流量时，水被抽干或满后溢出对象的微分方程为：无自衡能力对象的动态特性水泵的出水量和液位无关，当进水流量变15无自衡能力对象的动态特性阶跃时间发生0s无自衡能力对象的动态特性16延时且无自衡能力延时5s延时且无自衡能力17三、多容对象的动态特性多容对象：生产过程中，大多数对象实际上由多个容量和阻力组成被调量为第二个水箱的水位其微分方程：三、多容对象的动态特性多容对象：生产过程中，大多数对象实际上18多容对象的阶跃响应容量滞后：被调量的变化速度并不是一开始就最大，而是要经过一段滞后时间，多容对象对于扰动响应在时间上存在滞后tc多容对象的阶跃响应容量滞后：被调量的变化速度并不是一开始就最19多容无自衡能力的对象多容无自衡能力的对象20多容有自衡能力延时5s阶跃输入时间0s多容21三、拉普拉斯变换和反变换拉普拉斯变换的定义：拉普拉斯反变换的定义：其中s=s+jw为复变量三、拉普拉斯变换和反变换拉普拉斯变换的定义：22四、几种典型函数的拉氏变换单位阶跃函数1(t)：单位斜坡函数四、几种典型函数的拉氏变换单位阶跃函数1(t)：23加速度函数指数函数正弦函数加速度函数24拉普拉斯变换的基本法则线性法则微分法则拉普拉斯变换的基本法则线性法则25积分法则：终值定理：位移定理积分法则：26五、拉普拉斯反变换将F(s)分解成一些简单的有理分式函数之和，然后由拉氏变换表一一查出对应的反变换函数。例题：五、拉普拉斯反变换将F(s)分解成一些简单的有理分式函数之和27六、传递函数对上式进行拉式变换可得令则：六、传递函数对上式进行拉式变换可得28传递函数的本质和方框图表示原来的微分方程经过变换后变成了一个代数方程，而拉普拉斯变换是一个线性变换，不改变原方程所反映的事物本质，我们称H(s)为传递函数，其本质是输出量的拉氏变化和输入量的拉氏变换的比方框图表示输入输出传递函数G(s)U(s)H(s)传递函数的本质和方框图表示原来的微分方程经过变换后变成了一个29传递函数的几点说明传递函数只适用于线性定常系统传递函数可以作为系统的动态数学模型不能反映系统在非零初始条件下的全部运动规律一个传递函数只能表示一个输入和一个输出的关系，多输入多输出的系统，不可能用一个传递函数来表征该系统各变量之间的关系传递函数的几点说明传递函数只适用于线性定常系统30常用的传递函数一阶二阶一阶加滞后二阶加滞后常用的传递函数一阶31令T=1，K=1令T=1，K=132常见无自衡的过程的传递函数常见无自衡的过程的传递函数33§1-2热工对象动态特性实验测定简单的被控过程可以通过分析过程机理，根据物料平衡和能量平衡等关系，应用数学描述的方法，建立过程的数学模型具有较大的普遍性，对于物理和化学过程尚不清楚的复杂过程较难工程中多有非线性因素，推导时常做假设，可能带来估计不到的影响，解析法得到仍希望用实验检验推导不出数学模型时，通过实验方法求得§1-2热工对象动态特性实验测定简单的被控过程可以通过分析过34一、阶跃响应曲线的测定在过程得输入量做阶跃变化时，测定其输出量随时间的变化关系曲线。形象、直观、完全描述被控过程的动态特性其传递函数为：一、阶跃响应曲线的测定在过程得输入量做阶跃变化时，测定其输出35实验装置示意图利用调节阀快速输入一阶跃扰动，并保持不变，对象的输入输出信号经变送器后由快速记录仪记录ST：信号变送singletransfer被调对象快速记录仪STST实验装置示意图利用调节阀快速输入一阶跃扰动，并保持不变，对象36输入和输出的对比输入和输出的对比37实验要点调节阀的开度做一阶跃（矩形、正弦）变化（10%)，或采用在线闭环试验法、伪随机信号法合理选择阶跃信号值，过大影响正常生产，过小被控过程不真实，一般5~15%输入阶跃信号前，被控过程必须处于相对稳定的工作状态，完成一次实验后必须使被控过程稳定一段时间，再进行下次实验实验要点调节阀的开度做一阶跃（矩形、正弦）变化（10%)，或38实验应在相同的测试条件下重复几次，减少干扰由于过程的非线性，实验时应在阶跃信号作正、反方向变化时分别测得其响应曲线，实验应在相同的测试条件下重复几次，减少干扰39二、矩形脉冲响应曲线得测定当过程时间长时间处于较大扰动信号作用下时，被控量得变化幅度可能超出实际生产所允许的范围，这时可用矩形脉冲信号作为过程的输入信号二、矩形脉冲响应曲线得测定当过程时间长时间处于较大扰动信号作40将矩形脉冲响应曲线转换成阶跃响应曲线将矩形脉冲响应曲线转换成阶跃响应曲线41§1-3热工对象动态特性的特征参数单容对象放大系数K1时间常数T1纯时延t§1-3热工对象动态特性的特征参数单容对象42一阶有自衡能力的特性参数tT1h（∞）一阶有自衡能力的特性参数tT1h（∞）43放大系数：与被调量Dh变化过程无关，只与被调量的变化终点和起点有关。是静态参数时间常数T1：对象在阶跃扰动作用下，被调量以最大的速度变化到新稳态值时所需要的时间反映了对象在阶跃扰动下，被调量变换的快慢程度，惯性大小，由容量和阻力确定纯时延t（传递滞后）：当输入量变化时，被控量要滞后一定的时间才开始变化放大系数：44延时无自衡能力延时且无自衡能力延时5s延时无自衡能力延时且无自衡能力45多容对象时间常数Ta延时t多容对象时间常数Ta46二阶有自衡能力的特性参数t二阶有自衡能力的特性参数t47双容无自衡能力的特性参数时间常数Ta延时t飞升时间双容无自衡能力的特性参数时间常数Ta48tT1tT149承德石油高等专科学校重点课程建设

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（适50第3章被控对象的动态特性主要内容热工对象动态特性理论分析热工对象动态特性实验测定热工对象动特性的特征参数第3章被控对象的动态特性51§1-1热工对象动态特性理论分析一、调节对象的分类按输入输出对象的多少分类多输入单输出对象多输入多输出对象按有无自衡能力分类有自衡能力的对象无自衡能力的对象按储蓄容量的数量分类单容对象：只有一个储蓄容量的对象多容对象：由多个容器和阻力组成的对象§1-1热工对象动态特性理论分析一、调节对象的分类52输入输出对象的多少分类xyf1……fnx1…xnf1……fny1…yn多输入单输出多输入多输出输入输出对象的多少分类xyf1……fnx1f1……fny1多53按有无自衡能力分类无自衡能力有自衡能力按有无自衡能力分类无自衡能力54按有无自衡能力分类无自衡能力有自衡能力水水水按有无自衡能力分类无自衡能力55按储蓄容量的数量分类单容对象多容对象按储蓄容量的数量分类单容对象56二、单容对象的动态特性有自衡能力对象的动态特性稳态时Q1=Q2Q1突然增大时液位上升Q2也逐渐增大当Q1=Q2时，新平衡建立在新的液面高度上液位高度为被调量单容对象的阶跃相应微分方程Q2Q1h1h2二、单容对象的动态特性有自衡能力对象的动态特性Q2Q1h1h57单容对象的阶跃响应曲线单容对象的阶跃响应曲线58液位控制的阶跃响应液位控制的阶跃响应59阻力对对象特性的影响过程2比过程1的阻力减小过程2过程1阻力对对象特性的影响过程2比过程1的阻力减小过程2过程160容量对对象特性的影响过程2比过程1的容量加大过程1过程2容量对对象特性的影响过程2比过程1的容量加大过程1过程261自衡且纯滞后对象的动态特性纯滞后（传递滞后）：对象均存在纯滞后，它是信号传输和测定所致自衡且纯滞后对象的动态特性纯滞后（传递滞后）：对象均存在纯滞62单容对象阶跃输入发生时间0s延时5s单容对象63无自衡能力对象的动态特性水泵的出水量和液位无关，当进水流量变换，不等于出水流量时，水被抽干或满后溢出对象的微分方程为：无自衡能力对象的动态特性水泵的出水量和液位无关，当进水流量变64无自衡能力对象的动态特性阶跃时间发生0s无自衡能力对象的动态特性65延时且无自衡能力延时5s延时且无自衡能力66三、多容对象的动态特性多容对象：生产过程中，大多数对象实际上由多个容量和阻力组成被调量为第二个水箱的水位其微分方程：三、多容对象的动态特性多容对象：生产过程中，大多数对象实际上67多容对象的阶跃响应容量滞后：被调量的变化速度并不是一开始就最大，而是要经过一段滞后时间，多容对象对于扰动响应在时间上存在滞后tc多容对象的阶跃响应容量滞后：被调量的变化速度并不是一开始就最68多容无自衡能力的对象多容无自衡能力的对象69多容有自衡能力延时5s阶跃输入时间0s多容70三、拉普拉斯变换和反变换拉普拉斯变换的定义：拉普拉斯反变换的定义：其中s=s+jw为复变量三、拉普拉斯变换和反变换拉普拉斯变换的定义：71四、几种典型函数的拉氏变换单位阶跃函数1(t)：单位斜坡函数四、几种典型函数的拉氏变换单位阶跃函数1(t)：72加速度函数指数函数正弦函数加速度函数73拉普拉斯变换的基本法则线性法则微分法则拉普拉斯变换的基本法则线性法则74积分法则：终值定理：位移定理积分法则：75五、拉普拉斯反变换将F(s)分解成一些简单的有理分式函数之和，然后由拉氏变换表一一查出对应的反变换函数。例题：五、拉普拉斯反变换将F(s)分解成一些简单的有理分式函数之和76六、传递函数对上式进行拉式变换可得令则：六、传递函数对上式进行拉式变换可得77传递函数的本质和方框图表示原来的微分方程经过变换后变成了一个代数方程，而拉普拉斯变换是一个线性变换，不改变原方程所反映的事物本质，我们称H(s)为传递函数，其本质是输出量的拉氏变化和输入量的拉氏变换的比方框图表示输入输出传递函数G(s)U(s)H(s)传递函数的本质和方框图表示原来的微分方程经过变换后变成了一个78传递函数的几点说明传递函数只适用于线性定常系统传递函数可以作为系统的动态数学模型不能反映系统在非零初始条件下的全部运动规律一个传递函数只能表示一个输入和一个输出的关系，多输入多输出的系统，不可能用一个传递函数来表征该系统各变量之间的关系传递函数的几点说明传递函数只适用于线性定常系统79常用的传递函数一阶二阶一阶加滞后二阶加滞后常用的传递函数一阶80令T=1，K=1令T=1，K=181常见无自衡的过程的传递函数常见无自衡的过程的传递函数82§1-2热工对象动态特性实验测定简单的被控过程可以通过分析过程机理，根据物料平衡和能量平衡等关系，应用数学描述的方法，建立过程的数学模型具有较大的普遍性，对于物理和化学过程尚不清楚的复杂过程较难工程中多有非线性因素，推导时常做假设，可能带来估计不到的影响，解析法得到仍希望用实验检验推导不出数学模型时，通过实验方法求得§1-2热工对象动态特性实验测定简单的被控过程可以通过分析过83一、阶跃响应曲线的测定在过程得输入量做阶跃变化时，测定其输出量随时间的变化关系曲线。形象、直观、完全描述被控过程的动态特性其传递函数为：一、阶跃响应曲线的测定在过程得输入量做阶跃变化时，测定其输出84实验装置示意图利用调节阀快速输入一阶跃扰动，并保持不变，对象的输入输出信号经变送器后由快速记录仪记录ST：信号变送singletransfer被调对象快速记录仪STST实验装置示意图利用调节阀快速输入一阶跃扰动，并保持不变，对象85输入和输出的对比输入和输出的对比86实验要点调节阀的开度做一阶跃（矩形、正弦）变化（10%)，或采用在线闭环试验法、伪随机信号法合理选择阶跃信号值，过大影响正常生产，过小被控过程不真实，一般5~15%输入阶跃信号前，被控过程必须处于相对稳定的工作状态，完成一次实验后必须使被控过程稳定一段时间，再进行下次实验实验要点调节阀的开度做一