被控对象动态特性分析

《被控对象动态特性分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、5.2被控对象的动态特性过程控制中应川最多的，也是最基本的控制系统如图5.1所示。图5.1过程控制系统结构图图中，GcG）是控制器的传递函数，&」&）是执行机构的传递函数，&班G）是测量变送器的传递函数，色©）是被控対彖的传递函数。图5.1中，控制器，执行•机构、测竝变送器都展丁订

2、动化仪农，他们都是围绕被控对彖工作的。也就是说，一个过程控制的控制系统，是围绕被控现彖而组成的，被控对彖是控制系统的主体。因此，对被控对彖的动态特性进行深入了解是过程控制的一个求耍任务。只有深入了解被控对彖的动态特性，了解他的内在规律，了解被控辩屋在齐

3、种扰动下变化的情况，才能根据生产工艺的要求，为控制系统制定一个合理的动态性能指标，为控制系统的设计提供一个标准。性能指标顶的偏低，可能会对产品的质量、产量造成影响。性能指标顶的过高，可能会成不必要的投资和运行费用，茯至会影响到设备的寿命。性能指标确泄后，设计出合理的控制方案，也离不开对被控动态特性的了解。不顾被控对象的特点，盲目进行设计，往往会导致设计的失败。尤其是一些复杂控制方案的设计，不清楚被控对象的特点根木就无法进行设计。有了正确的控制方案，控制系统中控制器，测量变送器、执行器等仪表的选择，必须已被控对象的特性为依据。在控制

4、系统组成后，合适的控制参数的确定及控制系统的调整，也完全依赖与对被控对象动态特性的了解。由此可见，在控制工程中，了解被控制的对象是必须首先做好的一项工作。过程控制的被控对象设计的范围很广。被控对象不一定是指一个具体的设备，不少情况下被控对象是指一个过程。有些过程可能涉及好儿种设备，而在有些设备内部可能包括了儿个过程。过程控制被控对彖的内在机理较为复杂，由简单过程，乂存在严重非线性的过程，有多变量过程，有些被控对彖的特性随时间或工作条件而变化。对被控对彖动态特性的了解，一种方法是通过分析被控对彖的工作机理，建立被控对豫的数学模型。但

5、由于连续生产过程的复杂性，完全从机理上揭示其内在规律，获得精确的数学模型还有较人的困难。另一种方法是工程上经常使用的方法，它采用实验法來获得被控对象的数学模型。这种方法通过测量被控对象的阶跃相应曲线（称为飞升曲线），近似确定被控对象的数学模型，研究被控对象的动态特性。过程控制中大多数被控对象都具有较大的惯性和时间延迟，-•般不具有振荡特性，其飞升曲线是单调变化的。按照被控对象所含存贮元件的多少，被控对象可分为单容对象、双容对象和多容对象。按照被控变量受扰动后的变化规律，被控对象可分为有自平衡能力的对象和无自平衡能力的対象。5.2.

6、2单容对象单容对象是指只含有一个存贮元件的被控对象。1.有自平衡能力的单容元件如果被控对象在扰动作用下偏离了原来的平衡状态，在没有外部干预的情况下（指没有白动控制或人工控制参9),被控变量依靠被控对象内部的反馈机理，能自发达到新的平衡状态，我们称这类对彖是有自平衡能力的被控对象。具冇

7、'

8、平衡能力的单容対象的传递函数为/、K(5.1)恥)=乔门这是个一阶惯性环节。描述这类对象的参数是时间常数T和放人系数K。图5.2单容水箱图5.2是单容水箱的示意图。我们已经推导过水箱的传递函数为其中T=RC,C为水箱的横截面积，R为输出管道阀门的

9、阻力。T称为水箱的时间常数。K称为水箱的放大系数。邛介系统的特性我们己经在时域分析中进行了详细的讨论，所有结论都适用单容对象。作为过程控制的被控对象，小•容对象的时间常数比饺大。2.无自平衡能力的单容对彖图5-3也是一个单容水箱。不同的是水箱的出口侧安装了一台水泵，这样一來，水箱的流出水量就与水位无关，而是保持不变，即流出星的变化量％=。在静态下，流入水箱的流量打水泵的排水量相同都为Q，水箱的水位H保持不变。在流入量有一个增址％时，静态平衡彼破坏，但流出量并不变化，水箱的水位变化规律为式中c为水箱的横截面积。对上式两端求取拉普拉斯

10、变换，可得水箱的传递函数:(5.2)这是一个积分环节。它的单位阶跃响应为/a(f)=(a)(b)图5.4两种水箱变化的比较(a)单容积分水箱(b)有自平衡能力的单容水箱图5—4(a)是水位变化的曲线。为了比较，我们把具有惯性坏节特性的水箱在单位阶跃输入下的水位响应曲线也画出来，如图5—4(b)所示。很明显，具有惯性环节特性的单容水箱，在输入作用下，水位经过一个动态过程后，可以逍新达到一个新的稳定状态。而具有积分环节的水箱在受到同样的扰动Z后，水位则无限地上升，永远不会达到一个新的稳定状态。我们称这种水箱为单容水箱。具有积分环节特性

11、的单容对彖的传递函数可以表示为色@(5.3)式中。称为E升速度。其单位阶跃响应为火)=別(5.4)这是•条TT•线方程，如图5—4(a)所示。&是育•线的斜率。式(5-4)说明，当被控対彖原来的平衡状态被扰动作用破坏后，如果不依靠自动控制或人工控制