调速与动力系统自动化

动力系统控制原理动力系统模型与分析动力系统控制原理控制系统基本概念控制系统数学表达的方式控制系统时频分析动力系统模型描述控制系统基本概念系统结构和性能指标开环控制系统控制系统的输出对系统的控制作用没有影响。按给定值进行控制按扰动补偿进行控制闭环控制系统控制系统的输出对系统的控制作用有影响，即控制器的输出作用于控制对象，控制对象的输出（系统的输出）将送回到控制器，控制器根据偏差进行控制。因此，又称为反馈控制。复合控制在一个控制系统中同时采用开环控制和闭环控制。开环控制——粗调闭环控制——细调自动控制系统的基本形式反馈控制系统的组成控制对象：被控制的设备或过程（冷却器）。系统的输出就是指被控对象的输出（或称被控量）。控制器（或称调节器）：根据偏差按一定规律输出控制量，送至执行机构。它有两个输入，即设定值输入和测量值输入。偏差=设定值－测量值执行器（执行机构）：接受控制器送来的控制信号，驱动调节机构，作用于被控对象。测量变送器（测量单元）：将被控对象的物理输出量，即被控量转换为标准信号输出（也称测量输出），送到调节器，作为反馈信号。柴油机气缸冷却水温度手动控制过程冷却器三通阀淡水泵主机眼脑手海水入口海水出口柴油机气缸冷却水温度自动控制过程冷却器三通阀淡水泵主机手海水入口海水出口温度变送器调节器执行机构反馈控制系统的结构框图特点：信号传递的单向性；闭合回路（闭环系统）；负反馈：反馈通道的信号与前向通道的信号相减。反之，则为正反馈。控制单元根据偏差进行控制，因此又称偏差驱动。若控制单元、测量单元和执行单元合为一体，则称为基地式控制仪表；若三者分开，则称为组合式控制仪表。自控系统结构框图e(t)——偏差信号e(t)=r(t)-b(t)y(t)——被控量p(t)——控制量f(t)——扰动量控制单元执行单元控制对象测量单元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)复合控制方框图控制装置执行机构控制对象反馈装置被控量给定信号+-前馈装置扰动补偿外部扰动反馈控制制系统的的分类按给定值值的形式式：定值值控制、、程序控控制、随随动控制制按动作方方式：连连续控制制、断续续控制按控制精精度：有有差调节节、无差差调节按变量数数：单变变量控制制、多变变量控制制按系统性性质：线线性控制制系统、、非线性性控制系系统按应用理理论：基于经典典理论的的控制基于现代代控制理理论的控控制（最最优控制制、自适适应控制制）智能控制制（模糊糊、神经经、专家家、自学学习控制制）自动控制制系统的的状态自动控制制系统的的稳态和和动态稳态——被控量不不随时间间而变化化的平衡衡状态（（静态））动态——被控量随随时间而而变化的的不平衡衡状态（（瞬态））自动控制制系统的的过渡过过程：自自动控制制系统在在动态过过程中被被控量随随时间而而变化的的过程，，或者说说是从一一个平衡衡态过渡渡到另一一个平衡衡态的过过程。根根据过渡渡过程的的特点，，控制系系统可分分为：发散过程程等幅振荡荡过程衰减过程程非周期过过程稳态（平衡）动态过程扰动变化平衡破坏控制作用克服扰动影响新稳态（平衡）过程曲线线基本类类型(a)(b)(c)(d)自动控制制的性能能要求方法：给给系统施施加阶跃跃输入，，得到系系统过渡渡过程曲曲线，分分析系统统过渡过过程的各各项性能能指标。。采用阶跃跃输入的的原因：：信号的阶阶跃变化化在实际际中比较较常见（（近似阶阶跃变化化）阶跃信号号的数学学处理比比较简单单阶跃输入入对系统统的工作作最为不不利评定系统统过渡过过程性能能指标的的三个方方面：稳定性准确性快速性自动控制制系统的的典型输输入信号号tr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/2Rtr(t)t0r(t)01/hhr(t)0r(t)→∞tth→0自动控制制的过渡渡过程性性能指标标稳定性：：系统受受到扰动动之后能能够恢复复到稳定定状态的的能力。。实际控控制系统统，至少少要求是是率减过过程或非非周期过过程，以以率减为为佳。评评定指标标：衰减减率φ，衰减比比N定值控制制系统：：给定值值不变，，外部扰扰动发生生阶跃变变化；随动控制制系统：：假定外外部扰动动不变，，给定值值阶跃变变化。准确性：：被控量量偏离给给定值的的程度。评定定指标：：定值控制制系统：：最大动动态偏差差emax；静态偏偏差Δys随动控制制系统：：最大动动态偏差差emax；超调量量δ；静态偏偏差Δys快速性评评定指标标：过渡渡过程时时间ts——从扰动发发生到被被控量又又重新趋趋于稳定定达到新新的平衡衡态所需需的时间间。此外还有有振荡频频率、振振荡次数数等。自动控制制的性能能指标要求求定值控制制：动态偏差差和静态态偏差要要小；衰减率最最好在0.75~0.9之间；过渡过程程时间要要短随动控制制：超调量要要小；过渡过程程时间要要短；振荡次数数要少自动控制制系统过过渡过程程曲线yt平衡状态过渡过程平衡状态自动控制制系统过过渡过程程曲线根据衰减减率φ的大小可可以判定定过渡过过程的性性质：φ<0，为发散散振荡过过程φ=0，为等幅幅振荡过过程0<φ<1，为率减减振荡过过程φ=1，为非周周期过程程最佳衰减减率：φ=0.75~0.9Δysytt∞t0y∞y1y2y3y0emax发动机-调速器模模型动力系统统特性分分析调速器工工作原理理调速过程程柴油机动动态性能能指标1.稳定调速速率2.瞬时调速速率3.不灵敏度度4.转速波动动率机械式调调速器结结构机械式调调速器静静力分析析作为自控控系统的的柴油机机柴油机动动态方程程调速器动动态方程程柴油机系系统稳定定性柴油机系系统动态态特性柴油机系系统的分分析假设设前提传统分析析方法（（小扰动动分析））根据达朗朗贝尔原原理，柴柴油机的的惯性力力矩与所所有作用用于刚体体的力矩矩的合力力矩相等等，即：：写成增量量式：输出扭矩矩是喷油油量和曲曲轴角速速度的函函数，而而喷油量量与喷油油泵齿条条位置有有关，故故输出扭扭矩是齿齿条位置置和曲轴轴角速度度的函数数，即：：将其泰勒勒展开，，并线性性化，得得到：一般情况况下，阻阻力矩可可以写成成角速度度和其负负载特性性的函数数，类似似地，也也可展开开成：根据小扰扰动线性性化：结合前面面推导可可得：令：公式变化化为：根据前面面的推导导：与额定工工况进行行比较，，令：得到：针对额定定工况，，统一除除以额定定扭矩根据设定参数数：柴油机加加速时间间常数，，指空载载条件下下，喷油油泵齿条条在额定定供油量量位置，，柴油机机从速度度为零到到达额定定转速需需要的时时间。柴油机自自稳定系系数，指指没有调调速器时时，柴油油机自动动维持转转速稳定定的能力力。发动机特特性系数数，表示示发动机机喷油泵泵齿杆单单位行程程引起的的输出转转矩变化化大小。。阻力矩系系数，表表示发动动机阻力力矩变化化的大小小得到公式式：对于公式式：简化处理理认为，，是柴柴油机负负载变化化量相对对于标定定工况即即额定工工况下负负载的比比值，其其值范围围为0~1。将式进行行拉氏变变换，得得到：至此，我我们可以以得到柴柴油机转转速与齿齿条位移移及负载载变化率率（可以以视为扰扰动）的的关系。。柴油机是是周期性性工作的的，从喷喷油泵齿齿条位移移改变到到柴油机机发出相相应地扭扭矩必然然有延迟迟时间。。因此，，还需在在上式加加入一个个延时环环节，假假定为纯纯滞后环环节；此此外，柴柴油机的的输出转转速与喷喷油泵齿齿条位移移之间应应有一个个放大环环节，设设放大倍倍数为K，则上式式变为：：公式中几几个参数数的确定定延迟时间间τ：喷油开始始于发火火上止点点之前，，而柴油油机在发发火上止止点之后后开始做做功，最最大扭矩矩发生在在上止点点之后约约90°曲轴转角角处，这这会造成成时间滞滞后;此外，当当齿条位位移变化化时，若若某缸恰恰好喷油油完毕，，则此时时其工作作扭矩与与齿条位位移无关关，这段段延迟时时间取决决于柴油油机的转转速、气气缸数以以及冲程程数。可可用下式式估算：：自平衡系数Tg：理想化地，使使柴油机自平平衡系数为1加速时间常数数Ta:由下式计算：：柴油机大范围围变动下的动动态分析根据达兰贝尔尔原理：柴油机扭矩的的速度特性扭矩与速度的的关系比较复复杂，为简单单起见，近似似为线性柴油机动态方方程动态方程为：：传递函数为：：柴油机动态特特性引入控制器后后的柴油机特特性负载的动力特特性船用负载车用机负载发电机负载带负载的柴油油机动态特性性柴油机自身是是一个稳定性性较弱或不稳稳的的系统，，但是带负载载的柴油机系系统由于引入入了负载的动动力特性，使使得整体的动动态稳定特性性有较大改善善。调速器设计以柴油机的传传递函数为目目标采用经典典控制方法设设计控制器方方程设计机械式结结构满足控制制器方程要求求机械式调速系系统机械式调速器器方程：油泵特性：机械调速柴油油机调速过程程调速设计的假假设及误差柴油机动力特特性的线性假假设调速器特性的的线性假设油泵特性的线线性假设柴油机线性假假设的误差柴油机系统的的动态特性从试验结果可可以看到，柴柴油机的机械械式调速存在在着超调量较较大、静态误误差明显的特特点。并且，，这种特点在在不同调速工工况的表现程程度也不同。。动态特征分析析柴油机的动力力特性是非线线性的，在设设计、分析简简化时采用了了简单线性化化的方法，造造成了一定误误差，并且这这种误差在柴柴油机传递函函数上影响较较大。飞锤式机械调调速器的稳定定性系数Fp是一个变量，，随着转