第十章自动控制原理概要课件.ppt

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1、第十章 自动控制原理,自动控制是指在无人直接参与的情况下,利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）自动地按照预定的规律运行或变化的手段。 自动控制可以提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件。自动控制还可以对生产过程进行优化，从而达到节能降耗的目的。,第三节环节特性参数与传递函数,自动控制系统是由被控对象、控制器、执行器、传感器组成的，系统的性能指标由各环节的特性及它们的综合效果体现。要使系统达到良好的品质指标，必须了解和掌握各环节的特性。 环节的特性是指环节输出与输入的关系。即环节受输入信号的影响后，输出的变化规律。 建立微分方程，求解；直接求解比较繁琐，采用拉普拉斯变换的方法 。,

2、一、被控对象的特性 自动控制系统能否正常工作并获得预期的效果,不仅决定于控制器，而且在很大程度上是由对象的特性所决定的。 (一) 对象的容量与容量系数 对象所储存的物料量或能量称为对象的容量。 对象的容量系数：是指当被控变量改变一个单位时，对象容量的变化量。水槽容量系数为： 空调房间容量系数为：,对象的容量系数愈大，同样干扰作用下，当平衡状态被破坏时，被控变量离开给定值的偏差愈小，因而自动控制系统容易保持平衡状态，这对控制有利，但一旦偏差很大，自动控制系统很难将被控变量调回到给定值。可见，对象的容量系数表示了对象惯性的大小，容量系数越大，对象惯性越大。,（二） 对象的自平衡能力 对象的自平衡能

3、力是指当对象在阶跃输入信号作用下，平衡被破坏，在没有操作人员或仪表的干预下，就能依靠自身重新恢复平衡的能力，即被控变量能自动稳定在新的水平上，即称为自衡能力。对象称之为有自衡能力的对象。反之，称为无自衡能力的对象。热工对象大多是有自衡能力的对象。,（三） 对象的特性 对象在阶跃信号作用下，输出随时间变化的过程称为对象的过渡响应（或阶跃响应）。 一般热工对象在阶跃信号m的作用下的过渡响应归纳为表101所示的三种形式。,1单容对象、无滞后一阶惯性环节 2单容对象，有滞后一阶惯性环节 3双容对象，无滞后二阶惯性环节,.对象的特性参数放大系数K，时间常数T，滞后时间 （1）放大系数K 放大系数又称传递

4、系数，其数值等于被控变量新、旧稳定值之差与干扰变化量之比值。对一阶惯性的对象，放大系数为,K与被控变量的变化过程无关，而只与过程的始态与终态有关，表示对象的静态特性。K值大，表示输入信号（干扰或控制作用）对输出信号（被控变量）的稳定值影响大，对象的自平衡能力小；K值小，对象的自平衡能力大。,（2）时间常数T 时间常数是通过t0点处作切线，与新稳定值的交点所对应的时间。即，被控变量以初始最大上升速度变化到新稳定值所需要的时间。反映了对象受到阶跃干扰后被控变量达到新稳定值的快慢，是表示对象惯性大小的物理量。,（3）滞后时间 对象的滞后时间有两种：纯滞后和容量滞后。 单容对象中存在有纯滞后。纯滞后又

5、称传递滞后。其产生的原因是从调节机构到调节对象存在一定的距离，进入对象的物质或能量不能立即布满全部对象之中，物料量或能量的传递需要一定的时间。 多容对象，还存在着容量滞后。容量滞后是由于物质或能量从流入到流出之间过渡时，在容量之间存在阻力而产生的。图107 双容对象阶跃响应曲线（无纯滞后）,对于带热水加热器的室温调节对象，它由热水加热器和恒温室组成，在这个多容对象中，既有纯滞后又有容量滞后。对象的总滞后等于纯滞后和容量滞后之和。对象的滞后对控制过程会产生不利的影响。它将降低控制系统的稳定性，增大被控变量的最大偏差，拖长过渡过程的时间。,2. 对象特性的两个结论）具有自衡能力的对象的动态特性是不

6、振荡的，其阶跃响应曲线是单调曲线。）对象动态特性存在滞后。对象的容量数目越多，调节通道、干扰通道的作用距离越长，滞后时间越长。,二、控制器的特性 控制器的特性指控制器的输出与输入之间的关系。控制器的作用就是根据给定值与实测值的差值（偏差e），按预定的控制规律去控制执行器的动作，从而使被控变量保持在需要的范围内或按一定规律变化。 控制器输出信号的作用叫控制作用。,控制器控制规律分为：1）断续控制规律：输出与输入之间的关系是不连续的。有双位式、三位式和时间比例式等2）连续控制规律：输出与输入之间的关系是连续的。有比例（P）、比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例微分积分（PID）控制规律。,（一

7、）双位控制器的特性 （a) (b) 图108双位控制器的特性,呆滞区指不能引起控制器动作的偏差区间2 双位控制器结构简单，动作可靠，常用于允许被控变量有一定波动，反应时间长，滞后时间小，负荷变动不频繁的对象。,（二）三位式控制规律 图109三位控制器的特性,（三）比例（P）控制器的特性 图1010 比例控制器的动特性,比例带是比例控制器的主要特性参数，它的含义是：使控制器输出作0100变化时，输入信号的变化量占仪表全量程的百分数。比例带与放大系数成反比关系。比例带越小，比例作用越强,例10-1：一个温度控制器的全量程为050，室温的给定值为20，要求室温达到21时阀关,降到19时阀全开,求此时

8、该温控器的比例带应调整到多少？解:控制器输出0100%的信号时，阀门从全关到全开。,（四）比例积分控制器的特性（）积分控制器的特性 输出P与输入e对时间的积分值成比例,输出不但与被控变量的偏差的大小有关，而且与偏差存在的时间有关。系统中只要有偏差存在，控制器的输出就不断加强，直到偏差消除，使被控变量回复到给定值。可以消除静差。但是，不论偏差信号多大，积分控制器的输出都是从零开始，逐渐增加。若单独使用积分控制器时，自动控制系统的调节时间较长，最大偏差较大，且稳定性较差。因此，积分控制器不单独使用。,（）比例积分控制器的特性比例积分控制器的是比例控制规律与积分控制规律结合起来构成的控制器,积分时间

9、TI的物理意义是，当积分输出增长到比例输出相等时，所需要的时间。积分时间TI的大小，决定了积分输出变化的速度，即积分作用的强弱。比例积分控制器克服了积分控制器稳定性差的缺点，比例控制规律使控制器反应迅速，积分控制规律能使系统消除静差。因此，在控制质量要求较高的场合，选用比例积分控制器并且合理地调整比例带和积分时间，可以得到较好的控制效果。,（五）比例微分控制器的特（）微分控制器的特性 输出与被控变量的偏差变化率成比例 （）比例微分控制器的特性 比例控制规律与微分控制规律相结合,比例微分控制器的微分时间是一个重要的特性参数。微分时间的物理意义：当输入量为一固定斜率的直线信号时，比例作用输出为一斜

10、线，而微分作用输出为一个恒定阶跃量，可以看出，使比例作用的输出等于微分作用的输出时，所需的时间就是微分时间TD。它反映了微分作用的强弱。比例微分控制器常用于一些要求比较高的自动化控制系统中。图1015 微分时间的物理意义,微分控制器的输出信号与偏差的变化率有关，而与偏差的大小无关。当控制器输入一阶跃信号时，从理论上说，其输出端会输入一无限大的响应信号，而后控制作用消失。所以，微分控制器不单独使用。,比例微分控制当输入为一阶跃信号时，微分控制规律首先输出一个很大的信号，然后，按比例控制规律进行控制。这样的控制方式，具有超前的控制作用，可以防止被控变量产生较大的偏差，使偏差尽快地消除在萌芽状态，从

11、而增加了系统的稳定性。由于后续的控制作用由比例规律完成，所以，比例微分控制器构成的自控系统存在静差。实际的比例微分控制器中，微分规律部分的输入为一个有限值，然后按指数曲线下降，最后到零。,（六）比例积分微分控制器,输入阶跃偏差信号后，微分作用首先输出一个较大的信号，其次，比例作用迅速反应，若偏差仍不消失，随着微分作用的衰减，积分作用逐渐加强，直到被控变量回复到给定值。这样三种控制规律互相配合，既可以达到快速敏捷（P），又可以达到平稳（D）准确（I）。因此，比例积分微分控制器构成的系统具有良好的调节品质。,三、执行器的特性执行器将控制器来的控制信号变成操作量的大小，作用在被控对象上。执行器有电动

12、调节阀、气动调节阀、电动调节风门、电压调节装置等。执行器由执行机构和调节机构组成。电动、气动执行机构根据控制器来的信号大小，确定调节机构（多为阀门）开度。,执行机构一般作为比例环节处理 直线流量特性调节阀，开度与流量之间关系为： 上述两式进行综合得：,四、传感器和变送器的特性（一）传感器的特性以温度传感器为例，温度传感器分无套管和有套管两类。无套管的传感器，属于单容对象，其数学表达式与温度对象的相同 无套管的温度传感器的时间常数一般较小。当敏感元件的时间常数小到可以忽略时，,有套管的温度传感器为多容对象，其特性的数学表达式为二阶微分方程式，故称为二阶惯性元件。图1017 有套管传感器阶跃响应曲

13、线,（二）变送器的特性 变送器的作用是将传感器的输出信号转换成标准信号，它实际上是一个比例环节 （三）传感器加变送器的特性 当时间常数较小时，其特性变为： 即传感器加变送器可看成是比例环节。,五、传递函数(一) 拉普拉斯变换 拉氏变换是一种积分变换，（1）它将微分方程转换为代数方程；（2）把描述环节和系统的动态特性的数学方程很方便地转换为传递函数，分析和研究系统和环节的特性就更为方便。1、拉氏变换的定义 若以时间t为自变量的函数f(t)，其定义域是t0，那么拉氏变换的运算式是 上式记作：一个函数可以进行拉氏变换的充分条件是初始值为零、连续或分段连续和象函数存在。在实际工程问题中，这些条件通常是

14、满足的。,2、常用的拉氏变换定理（）线性定理（）微分定理 （）积分定理,（二）传递函数自动控制系统和环节的输出与输入之间数学表达式可以进行拉氏变换，环节或系统的微分方程式一般可写为： 式中：,当初始条件为零时，根据拉氏变换的微分定理，上述微分方程式的拉氏变换为：式中：,上式可写为： 称为传递函数，传递函数就是在零初始条件下，系统（或环节）的输出和输入的拉氏变换之比。传递函数表达了系统（或环节）输入量转换成输出量的传递关系。它只和系统（或环节）的本身特性有关，而与输入量的变化无关。,第四节 被控对象的数学分析,一、恒温室温度对象的数学表达式如图1018，以空调房间冬季采暖的过程为例，为了简化研究

15、，假定不考虑对象的滞后，认为房间为单容对象，无区域温差。图1018 恒温室对象,）单位时间内，进入房间的能量： 送风传给房间的热量：室内人体、设备和照明发热量 ：）单位时间内，房间流出的能量： ）单位时间内，房间蓄存能量的变化： ）房间温度对象的微分方程式为：,微分方程式的求解整理得： 写成用增量表示的微分方程式 若送风温度不变，对象仅受到干扰的影响时 若干扰不变，对象仅受到送风温度变化的影响时,解分别为：,二、湿度对象的动态特性图1019为恒湿室对象的示意图。假定房间围护结构与空气无湿交换；湿度均匀，既室内湿度为集中参数。则流入室内的含湿量是送风带进室内的含湿量和室内设备、人体的散湿量。流出量为回风带 走的含湿量。当突然增大送风含湿量时根据湿量平衡关系得，,写成增量方程式为：若送风换气次数为N（1h），则有：方程式变为：,写成一般式调节通道的微分方程式为 干扰通道的微分方程式为,