轮机自动化基础.pdf

1 轮机自动化基础轮机自动化基础轮机自动化基础轮机自动化基础 制作 汤旭晶 高 岚 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 控制对象是组成控制系统的基本环节之一 控制对象是组成控制系统的基本环节之一 研究控制对象的动态特性对控制系统的研究具有研究控制对象的动态特性对控制系统的研究具有 重要的理论和实践意义 如判断系统的稳定性 重要的理论和实践意义 如判断系统的稳定性 为控制系统选配合适的控制仪表及控制系统的参为控制系统选配合适的控制仪表及控制系统的参 数调整等 数调整等 第三章 控制对象的动态特性第三章 控制对象的动态特性 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 泵 热水去澡堂 冷水 调节阀 蒸汽 凝 水 控 制 柜 温度传感器 第三章 控制对象的动态特性第三章 控制对象的动态特性 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 3 2 多容控制对象多容控制对象 第三章 控制对象的动态特性第三章 控制对象的动态特性 单容对象单容对象 简单对象简单对象 只有只有一个储能一个储能 物质 元件物质 元件 其动其动 态特性可用一阶微分方程式表达 态特性可用一阶微分方程式表达 多容对象多容对象 复杂对象复杂对象 具有具有两个以上的储能两个以上的储能 物质 元物质 元 件件 其动态特性需以二阶或二阶以上微分方程式来表述 其动态特性需以二阶或二阶以上微分方程式来表述 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 Fig 3 1 单容控制对象 水柜 示意图 Q2 2 Q1 1 h F 3 1 单容控制对象单容控制对象 船舶船舶机机舱中舱中 压力水柜压力水柜 燃油柜燃油柜 空气瓶空气瓶 加热炉加热炉 为方为方便起见便起见 以单容以单容水柜水柜为为例展开讨例展开讨论论 所得结所得结论论同样同样 适用适用于于其其他他物理物理类型类型的控制对象的控制对象 如如热热容 容 气气容和容和电电容等容等 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 1 容量系数与阻力系数 容量系数与阻力系数 2 单容控制对象的数学模型 单容控制对象的数学模型 3 自平衡率 自平衡率 4 纯延迟 纯延迟 研究内容 研究内容 3 1 单容控制对象单容控制对象 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 Q2 2 Q1 1 h F1 Q2 2 h F2 Q1 1 现象1 不同大小不同大小的的水柜水柜容容纳水纳水的能的能力不同力不同 1 容量系数与阻力系数 容量系数与阻力系数 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 12 QQ dtdvF dh T dQ C d 热容 热容 dQ C du 电容 电容 dp dm C 气容 气容 液容 液容 dv C dh 因此因此单容单容水柜水柜的容的容量量系数系数就就是其是其截面积截面积F 容容量量系数系数 惯 惯性性 储储存存能能力 加扰力 加扰动动后 反应迟钝后 反应迟钝 容容量量系数系数 C 被被控控量变量变化一个单化一个单位时位时对象对象所所容容纳纳的的 物质或能物质或能量量的的变变化化量量 Q2 2 Q1 1 h F F PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 现象现象2 增加给水量增加给水量 Q1 导致液位导致液位h上升上升 h 原因原因 存在阻力存在阻力 同时同时 液位液位h上升又将克服阻力上升又将克服阻力 使使Q2 增大增大 直至直至 1212 QQQQ 即 显然显然 为为使负载侧流量增大使负载侧流量增大 Q2 阻力越大阻力越大 所所需需增加增加的的 h也越大也越大 开始开始Q10 Q20 液位 液位h h0 Q 2 Q20 2 Q 1 Q10 1 h0 F Q1 Q2 h PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 Td R dq 热阻 热阻 di du R 电阻 电阻 dq dp R 气阻 气阻 22 dhh R dQQ 液阻 液阻 阻力阻力系数系数 R 推推动物质动物质 或能或能量量 运运动的动动的动力与力与 因此而产生因此而产生的物质的物质 或能或能量量 的的流量流量之之比比 阻力阻力系数表系数表示了示了控制对象控制对象阻阻碍碍物质物质 或能或能量量 流流动的能动的能力力 Q2 2 Q1 1 h F PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 若层流 若层流 const dQ dh R 2 若紊流 若紊流 2 Qh 为流量系数 22 dhh R dQQ 液阻 液阻 对对应不同应不同的的高度高度 阻力阻力系数系数不同不同 此此即即阻力阻力系数的系数的非线非线性性 阻力阻力系数的系数的线线性和性和非线非线性性 2 2dhh R dQ Q h h0 Q20 h Q2 Q2 2 Q1 1 h F PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 dv CF dh 设进口阀开度变化 设进口阀开度变化 则 则 Q1 h Q2 12 QQ dtdvF dh 根据根据 1212 QQ dtQQ dtF d h 1 单容控制对象的微分方程 单容控制对象的微分方程 Q1 Q2Q 2 Q20 2 Q 1 Q10 1 h0 F h PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 其中 其中 1 kQ代入上式即另由RhQ Q h R 2 2 Kh dt hd T得 TFR KkR 令 sMKsHsHTs 1 Ts K sM sH sG 一阶一阶惯惯性性加比例加比例环节环节 可得 可得 d h RFhk R dt 2 单容控制对象的 单容控制对象的传递函传递函数数 12 QQ dtF d h PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 单容控制对象的阶跃响应 单容控制对象的阶跃响应 0 0 1 11 1 H sG sM s K Tss K ssT 0 K 0 01 M ts s 设则 1 0 Tt eKth h t t o o 0 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 放大系数放大系数K和时间常数和时间常数T T h t t o o 0 0 K 放放大大系数系数K 当当对象达对象达到到稳态稳态时时把输入把输入量量放放大大的的倍倍数 数 1 0 Tt eKth T K tdt thd 0 0 时时间常间常数数T 对象对象输出输出以以最最大变大变化化速度速度达达到新到新稳态稳态值值 所所需的需的时时间间 表 表示示控制对象控制对象惯惯性的一个参数 性的一个参数 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 放大系数放大系数K和时间常数和时间常数T的求法的求法 T 0 K h t t o o 0 1 0 0 1 63 2 63 2 t h tKe K h t 0 1 t h t K 2 令令t T 则则 63 2 th t 1 0 Tt eKth PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 Q2 2 Q1 1 h A 作业作业 一单容一单容水水箱箱如如图图 其 其底底面积面积为为A 液阻液阻为为R 设设 流流入入水水箱箱的的水流量水流量Q1为为输入输入量量 水位水位h为为输出输出量量 试试 列写列写其微分方程和其微分方程和传递函传递函数 数 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 阻力系数和容量系数对动态特性的影响阻力系数和容量系数对动态特性的影响 分析分析1 T2 0 K h t o RkK T1T1 01 K h t o T2 02 K 2121 RRCC 1221 CCRR TR F PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 3 1 单容控制对象单容控制对象 分析分析2 K k R 1 可见 控制对象之所以存可见 控制对象之所以存 在放大系数是由于在放大系数是由于阻力系数阻力系数R 所至 所至 R越大 越大 K也越大 其也越大 其 自平衡率越小 当自平衡率越小 当R 时 时 自平衡率 自平衡率 0 控制对象成为 控制对象成为 一个积分环节 一个积分环节 hdCdtQQ 21 hdCdtQ 1 hdCdtk Ts s k A sM sH sG 11 0 0 0 k Kd h t tdtTF PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 自平衡特性 自平衡特性 控制对象在受到扰动后 被控量的变化将引起控制对象在受到扰动后 被控量的变化将引起 物质或能量的流量产生变化 从而使自身恢复到平衡状态 物质或能量的流量产生变化 从而使自身恢复到平衡状态 R 1 自平衡率 自平衡率 若将若将出出口阀口阀关死关死 则 则 0 没有没有自平衡自平衡能能力 力 自平衡率自平衡率 控制对象控制对象依靠依靠被控量的变化被控量的变化而使而使自自身恢复身恢复 到平衡到平衡态态的的能能力 力 3 自平衡率 自平衡率 Q 2 Q20 Q2 2 Q 1 Q10 Q1 1 h F h 3 1 单容控制对象单容控制对象 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 Q2 2 Q1 1 h F 纯迟延纯迟延 由于由于传输距离导致传输距离导致被控量变化被控量变化落落后于后于输入输入量量 变化的时变化的时间长间长度 度 0 h t 0 u t u 4 纯延迟 纯延迟 3 1 单容控制对象单容控制对象 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 实际的控制对象往往存在纯迟延 通常将其视作实际的控制对象往往存在纯迟延 通常将其视作 由一个独立的环节 即纯迟延环节 它与控制对象相由一个独立的环节 即纯迟延环节 它与控制对象相 串联 串联 Q1 s Q 1 s 1 CS h 1 R Q2 s s e 3 1 单容控制对象单容控制对象 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 h1 V2 V1 Q0 V3 Q2 Q1 1 2 前置水箱 主水箱 h2 R2 R1 以以双双容对象为容对象为例例 前置水箱前置水箱 10 1 1 QQ dt hd C 主水箱主水箱 21 2 2 QQ dt hd C 12 120 12 11 2 22 1122112222 2 QQQ Q R hh k RR h dhd h C R CR CR ChR k dtdt 由于 消去 得 3 2 多容控制对象 多容控制对象 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 kKCRTCRT 222111 令 Kh dt hd TT dt hd TT 2 2 21 2 2 2 21 得 2 12 1 1 h sK G s sT sT s 1 1 1 11 2 21 2 1 21 1 T s TT T T s TT T s K 21 21 2 21 1 02 0 1 1 T t T t e TT T e TT T Kth t 若 3 2 多容控制对象 多容控制对象 PDF 文件使用 pdfFactory Pro 试用版本创建 0 0 0 2 t dt thd t时 时 当当 0 0 2 t dt th