热工控制系统课堂ppt_第二章热工对象的动态特性及其求取ppt课件.ppt

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1、第二章热工对象的动态特性及其求取方法引言为何了解对象动态特性?设计对象、控制对象、控制器参数整定何为对象动态特性?指对象的某一输入量变化时，其被控参数随时间的变化规律。第一节影响对象动态特性的结构性质第二节有自平衡能力对象的动态特性第三节无自平衡能力对象的动态特性第四节由阶跃响应曲线求取对象传递函数的方法主要章节阀1阀2Q1Q2h图2-2单容水箱示意图第一节　影响对象动态特性的结构性质影响对象动态特性的主要参数：容量系数、阻力、传递迟延。此三个参数为大多数对象所共有的结构性质。1.容量系数:由上图，其水位变化为：

2、式中：C－－比例系数图所示单容水箱，流出侧阀门2开度一定时，流出水量Q2大小就取决于水箱水位h和流出侧阀门2阻力(用Ｒ表示)。在微小变化范围内阻力表达为：则Ｃ可表示为：上式表明，比例系数C是被控参数（h）变化一个单位时需要对象物质储量（G）的变化量，C就称为对象的容量系数。２.阻力：阀1阀2Q1Q2h单容水箱示意图对水箱系统分析:设某一时刻流入量Q1阶跃增加Q1，随即有不平衡水量dG出现，水箱水位h开始增加。在阀门(2)开度一定，即流出侧阻力为R2时，水位h的增加引起流出水量Q2的增加。水位h的增加速度越来越小

3、，最终为零，这时水箱水位h稳定在一个新的数值上。这种不需要外来作用只依靠对象自身来恢复平衡的现象称为对象的自平衡。显然，对象的阻力Ｒ使之在动态过程中表现出自平衡能力。阀1阀2Q1Q2h单容水箱示意图即Q1与Q’1间的传递函数可表示为：３.传递延迟：被调量变化时刻落后于扰动发生时刻的现象称为对象的~，其延迟时间用表示．注意现象:上面水箱，若阀门1与水箱间距离较长(不能忽略)，当某一时刻控制阀门1阶跃开大流量Q1、水箱水位h，如何变化？传递迟延：阀1阀2Q1Q2h单容水箱示意图传递迟延可能发生在流入侧(控制侧),也可

4、能发生在流出侧(负荷侧),或两侧都存在。传递迟延发生在流入侧,控制作用不能及时影响被调量；发生在流出侧,造成调节器在被调量发生变化时不能立即动作。故在设计主设备及控制系统时应尽量避免或减小对象的传递迟延。第二节　有自平衡能力对象的动态特性分为单容对象与多容对象：单容对象:对象较为简单,可近视看作由一个集中容积和阻力阻成。多容对象:对象较为复杂,可近视看作由多个集中容积和阻力阻成。一.单容对象动态特性1.阶跃响应单容对象受阶跃扰动后，其响应曲线如下页图：图2-3有自平衡单容对象的阶跃响应曲线阀1阀2Q1Q2h单容水

5、箱示意图设进入水箱流入量Q’1与水位h之间具有传递函数为W’(S),则整个水箱系统的传递函数可表示为：由上图可知，水箱水位在受到流入侧的流入量阶跃扰动后，开始上升速度较大，随后速度越来越小，最后变化速度为零。从水位h的数值上看，在扰动开始后并没有立即上升，而是经过一段时间慢慢上升到稳态值;从反应扰动的观点看，单容水箱具有惯性；从受到扰动后无需外部干预水位仍能恢复到稳定状态来看，该对象具有自平衡能力。2.动态方程和传递函数:设在dt时间间隔内，水箱中的存水量为dG，则dG=（Q1－Q2）dt，即图中的阴影面积；存水

6、量dG使水位变化dh，因为水箱截面积为F，则dG＝F·dh，从而有:对于流入侧阀1：由于讨论动态特性,故可设初值为零，Kμ1控制阀比例系数。阀2阻力R2可近似看作常数，即：令,则上式整理得:由以上三式代入得:(2-1)经整理得:(2-2)(2-3)这就是图2－2所示的对象动态特性的微分方程,对其两边分别作拉普拉斯变换：(2-4)上式中为时间常数,为放大系数.由式（2－3）可以求出单容水箱在受到输入阶跃扰动后，其水位h的变化速度:则图2-2所示单容水箱对象的传递函数为：3.特征参数:时间常数T:在初始速度即:意义：

7、被调量保持初始速度变化，达到稳定值所需的时间。由式2-3在初始条件下的解为:以上两式给出了由阶跃响应曲线求时间常数T的两种方法:thoTAB方法一：作阶跃响应曲线起点O的切线交稳态线于B，由O点作稳态线的垂线交于A，则线段AB在时间轴上的投影即为T。方法二：在阶跃响应曲线上找出点，被调量自扰动发生始达到该点所需时间就是T。飞升速度定义:时间常数T表征了对象在受到扰动后，其被调量再次进入稳定状态所需时间的长短,显然T越大，ts越大。按定义得:＝被调量的最大变化速度／阶跃扰动量工程中，被控对象的惯性有时用飞升速度来描

8、述。为单位阶跃扰动下，被调量的最大变化速度，即：因此,对象的飞升速度是描述对象惯性大小的一个参数。放大系数K:K=输出值/输入值当K∈(0,∞)时，R2为一有限值，水箱水位在受到阶跃扰动后，经过一段时间后肯定能进入新的稳定状态，这种现象称~。如右图飞升曲线:是对象在稳态时的输出值。即：稳态时输入输出存在K倍关系。K-----对象的转换放大能力。物理意义：自平衡现象：工程中