动力系统自动化

1、内燃机的扭矩可由下式表示：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 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

2、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。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。反馈控制系统的分类:按给定值的形式：定值控制、程序控制、随动控制按动作方式：连续控制、断续控制按控制精度：有差调节、无差调节按变量数：

3、单变量控制、多变量控制按系统性质：线性控制系统、非线性控制系统按应用理论： 基于经典理论的控制 ;基于现代控制理论的控制（最优控制、自适应控制）;智能控制（模糊、神经、专家、自学习控制自动控制系统的稳态和动态稳态被控量不随时间而变化的平衡状态（静态）动态被控量随时间而变化的不平衡状态（瞬态）自动控制系统的过渡过程：自动控制系统在动态过程中被控量随时间而变化的过程，或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。根据过渡过程的特点，控制系统可分为：发散过程;等幅振荡过程;衰减过程;非周期过程方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程曲线，分析系统过渡过程的各项性能指标。采用阶跃输入的原因：信号的阶

4、跃变化在实际中比较常见（近似阶跃变化）;阶跃信号的数学处理比较简单;阶跃输入对系统的工作最为不利评定系统过渡过程性能指标的三个方面：稳定性:系统受到扰动之后能够恢复到稳定状态的能力。实际控制系统，至少要求是率减过程或非周期过程，以率减为佳。评定指标：衰减率 ，衰减比N。定值控制系统：给定值不变，外部扰动发生阶跃变化；随动控制系统：假定外部扰动不变，给定值阶跃变化。准确性：被控量偏离给定值的程度。评定指标：定值控制系统：最大动态偏差emax；静态偏差ys随动控制系统：最大动态偏差emax；超调量；静态偏差ys 快速性评定指标：过渡过程时间 ts从扰动发生到被控量又重新趋于稳定达到新的平衡态所需的

5、时间。此外还有振荡频率、振荡次数等。自动控制的性能指标要求定值控制：动态偏差和静态偏差要小；衰减率最好在0.750.9之间；过渡过程时间要短随动控制：超调量要小；过渡过程时间要短；振荡次数要少改善调速特性的方法：液压调速器；电子调速器；电子控制喷油；共轨式电控喷油。PID 控制是比例积分微分控制（Proportional-Integral-Differential）在工业生产过程中，PID控制算法占85%90%。在过程控制中，绝大部分都采用 PID控制。例外的情况有两种。一种是被控对象易于控制而控制要求又不高的，可以采用更简单的开关控制方式。另一种是被控对象特别难以控制而控制要求又特别高的情况

6、，这时如果 PID控制难以达到生产要求就要考虑采用更先进的控制方法。PID控制器的输出是由比例控制、积分控制和微分控制三项组成，三项在控制器中所起的控制作用相互独立。因此，在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可以选择其结构，形成不同形式的控制器，如比例（P）控制器，比例积分（PI）控制器，比例微分（PD）控制器等。在 P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即 ukce式中，Kc称为比例增益(视情况可设置为正或负)。比例控制器是最简单的一种控制器，其控制规律为PID控制的特点：原理简单，使用方便。适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。鲁棒性

7、强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。对模型依赖少。按 PID控制进行工作的自动调节器早已商品化。2比例带及其物理意义 比例带的定义 在过程控制中，通常用比例度表示控制输出与偏差成线性关系的比例控制器输入（偏差）的范围。因此，比例度又称为比例带，其定义为 具有重要的物理意义：u代表调节阀开度的变化量，就代表使调节阀开度改变100% 即从全关到全开时所需要的被调量的变化范围。 比例调节的显著特点就是有差调节。如果采用比例调节，则在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量不可能与设定值准确相等，它们之间一定有残差。 因为根据比例调节的特点，只有调节器的输入有变化,即被调量和设定值之间有偏差,调节

8、器的输出才会发生变化。 余差（或静差）是指：被调参数的新的稳定值与给定值不相等而形成的差值。余差的大小与调节器的放大系数K或比例带有关：放大系数越小，即比例带越大，余差就越大；放大系数越大，即比例带越小，比例调节作用越强，余差就越小。 比例调节的特点：（1）比例调节的输出增量与输入增量呈一一对应的比例关系，即：u = K e（2）比例调节反应速度快，输出与输入同步，没有时间滞后，其动态特性好。（3）比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生余差。比例带对于调节过程的影响；大：调节阀的动作幅度小，变化平稳，甚至无超调，但余差大，调节时间也很长；减小调节阀动作幅度加大，被调量来回波动，余差

9、减小；进一步减小被调量振荡加剧；为临界值系统处于临界稳定状态；小于临界值：系统不稳定，振荡发散 比例带的一般选择原则：若对象较稳定（对象的静态放大系数较小，时间常数不太大，滞后较小）则比例带可选小些，这样可以提高系统的灵敏度，使反应速度加快一些；相反，若对象的放大系数较大，时间常数较小，滞后时间较大，则比例带可选大一些，以提高系统的稳定性。 比例带的选取，一般情况下，比例带的范围大致如下：压力调节：3070%；流量调节：40100%；液位调节： 2080%；温度调节： 2060% 积分调节的特点：无差调节；稳定作用比p调节差；积分调节的滞后性，所以一般在工业中，很少单独使用I调节，而基本采用P

10、I调节代替纯I调节。 调节阀的速度减慢，结果是系统的稳定性增加了，但调节速度变慢；当积分常数小到某一临界值时，调节过程变为非振荡过程。无论增大还是减小积分速度，被调量最后都没有残差。 比例调节和积分调节的比较：比例调节是有差调节，积分调节是无差调节；比例调节能立即响应偏差变化；积分调节调节过程缓慢。 PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。 积分饱和现象：具有积分作用的控制器，只要被控变量与设定值之间有偏差，其输出就会不停地变化。如果由于某种原因(如阀门关闭、泵故障等)，被控变量偏差一时无法消除，然而控制器还是要试图校正这个偏差，结果经过一段

11、时间后，控制器输出将进入深度饱和状态，这种现象称为积分饱和。进入深度积分饱和的控制器，要等被控变量偏差反向以后才慢慢从饱和状态中退出来，重新恢复控制作用。 造成积分饱和现象的内因是控制器包含积分作用，外因是控制器长期存在偏差，因此，在偏差长期存在的条件下，控制器输出会不断增加或减小，直到极限值。 抗积分饱和的措施：限制PI调节器的输出UPI设定限值时，UPI=Umax，结果：这样有可能在正常操作中不能消除系统的余差积分分离法e设定限值时，改用纯P调节，结果：既不会积分饱和又能在小偏差时利用积分作用消除偏差遇限削弱积分法（抗积分饱和法）Upi设定限值时，只累加负偏差，反之亦然，结果：可避免控制量

12、长时间停留在饱和区。 如加热炉温度自动调节,当温度低于给定值时,则煤气阀门应开大,这是比例调节作用,但同时发现,温度降低的速度很快,说明出现了较大的扰动,则下一时刻的偏差将会更大,因此应预先采取措施,即提前动作,把煤气阀门的开度开得更大一些,这叫超前作用。 微分调节的特点：P和I是根据已经形成的被调参数与给定值之偏差而动作(即偏差的方向和大小进行调节)。微分调节是根据偏差信号的微分,即偏差变化的速度而动作的。只要偏差一露头,调节器就立即动作，以求更好的调节效果偏差没有变化,微分调节不起作用。微分调节主要用于克服调节对象有较大的传递滞后和容量滞后。 比例作用的输出与偏差大小成正比；积分作用的输出

13、变化速度与偏差成正比；微分作用的输出与偏差变化速度成正比。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。 增量式PID控制算法的优点：不累加误差，增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，计算精度对控制量

14、的计算影响较小；得出的是控制量的增量，误动作影响小；增量型算法不对偏差做累加，因而也不易引起积分饱和；易实现手动到自动的无冲击切换。 与位置式数字PID控制算法相比，增量式数字PID控制算法有如下优点：1）位置式每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积计算误差。而在增量式中由于消去了积分项，从而可消除控制器的积分饱和，在精度不足时，计算误差对控制量的影响较小，容易取得较好的控制效果（只存三个偏差值即可）。（2）为实现手动自动无扰切换，在切换瞬时，必须首先将计算机的输出值设置为阀门原始开度。由于增量式计算只与本次的偏差值有关，与阀门原来的位置无关，其输出对应

15、于阀门位置的变化部分，因此，易于实现从手动到自动的无扰动切换。（3）采用增量式算法时所用的执行器本身都具有保持功能，即使计算机发生故障，执行器仍能保持在原位，不会对生产造成恶劣影响。 最大车速Vmax最高车速，是指汽车在平直的、良好道路（混凝土或柏油）上所能达到的平均最高行驶车速加速时间t原地起步加速时间：一般用0400m或者0100km/h的时间表示原地起步的加速时间超车加速时间：以最高档或次高档，以amax加速至某一高速所用的时间最大爬坡度imax，以满载、良好路面上的imax来表示商用车30或16.5；越野汽车60或31；轿车最高车速较大，且通常在良好的市区道路行驶，可爬坡度很大；有的国

16、家要求汽车在常遇坡道上汽车必须保持的速度表明其加速能力。 汽车阻力滚动阻力Ff：轮胎内部摩擦产生的迟滞损失；这种迟滞损失表现为阻碍车轮运动的阻力偶。滚动阻力系数的试验确定法：牵引法、滑行法和转鼓法。空气阻力：汽车直线行驶时受到的空气阻力在汽车行驶方向上的分力爬坡阻力;加速阻力 快速地建立控制对象及控制器模型，并对整个控制系统进行多次的、离线的及在线的试验来验证控制系统软、硬件方案的可行性，这个过程称为 快速控制原型（RCP）。已设计完的控制器投入生产后，在投放市场前必须对其进行详细的测试。现在普遍采用的方法就是：在系统测试时，控制器是真实的，其余部分能采用实际的产品就用实际的，不能采用实际的产

17、品，就采用实时数字模型来模拟控制器的外环境，进行整个系统的测试，这个过程称为硬件在环仿真（HILS）。 ECU的技术特征：抗干扰性；驱动能力；控制策略：控制策略的制定取决于两个因素：算法的复杂性和控制效果。；稳定性；通讯能力；鲁棒性：鲁棒性是指系统的一种抗干扰能力，这种抗干扰能力是指：在整个大系统的某个部分出现故障时，系统的工作性能 三种控制方式的特点：质量流量方式：通过空气流量计直接测量进气空气流量；速度-密度方式：通过转速和进气管压力推算空气量，发动机转速变化范围为10倍，油量调节范围为80倍，因此有较好的调节精度；节气门-速度方式：直接检测节气门开启动作，过渡响应好。 汽油喷射与化油器比

18、较的优点：可以设计出提高发动机功率的进气系统；各缸汽油分配均匀性好；不易发生结冰现象；不易产生汽阻现象；加减速时的过渡响应特性好；启动、暖机性能好；可以相对进气温度和大气压力的变化修正空燃比。 汽油机控制实现微机化的优点：实现复杂的控制和自由的特性，提高整机性能；共用同一运转参数，集中控制燃油、点火系统；通过控制特性的数字化，提高稳定性；实现各种不同发动机硬件的通用化。 电控的数字化时代特点：各子系统实现集中控制，改善了发动机性能；在反馈控制基础上，增加了学习控制；速度-密度方式的控制方法开发广泛化；出现了采用独立喷射方式的稀燃系统。 ETC(电子节气门控制)使用ECU来控制节气门开度，节气门

19、组合成一个单独的控制单元，它带有节气门驱动器(直流电机)和节气门开度传感器。 带ETC控制的发功机管理系统的节气门和加速踏板没有机械连接。加速踏板位置由加速踏板位移传感器监测，并通过踏板模块转变成电子信号。发动机管理系统称这种信号为“驾驶员要求”。 柴油机电控系统：位置控制式电控系统；时间控制式电控系统：电控泵-管-嘴系统，柱塞泵，分配泵；电控共轨系统。 车载诊断系统（OBD）；中央电子控制单元(ECU) 自动控制：是指在没有人直接参与的情况下，利用控制器使被控对象（指生产设备或生产过程）自动地按预定的规律运行。机械化 电气化时代自动化、信息化、智能化 控制理论的发展:1、经典控制理论4050

20、年代形成 SISO系统 基于：二战军工技术 目标：反馈控制系统的镇定 基本方法：传递函数，PID调节器 (频域)2 、现代控制理论 6070年代形成 MIMO系统 基于： 冷战时期空间技术，计算机技术 目标：最优控制基本方法：状态方程 （时域）3、智能控制技术 90年代开始发展 专家系统;模糊控制;神经网络4、正在发展的各个领域 自适应控制大系统理论；H鲁棒控制；非线性控制（微分几何，混沌，变结构）燃料油(Fuel Oil)，柴油(Diesel Oil)柴油机与推进器机械连接的缺点：1、主机的功率必须按船舶最高航速配置，当工作在低速时，柴油机的效率迅速降低。原动机负载低时效率低是不可避免的，这就象大马拉小车一样。因而机动性要求高的船舶，例如军舰、邮轮、各种工作船舶，其油耗高成为难以解决的顽症；2、柴油机不能工作在最低稳定转速之下（当转速太低时，柴油机会失火）。对于操纵性要求高，需要动态定位的船舶无法满足要求（海上钻井、电缆敷设、海上输油）。另外在低转速下也发不出大的扭矩（破冰船），没有制动功能和迅速正倒车；3、主机与推进器刚性连接，制约了机舱优化布置，占据了巨大空间，传统的舵螺旋桨的推进效率低于电力推进船舶的吊舱推进器。以上缺点，正好是电力推进船舶的优点。电力推进船舶的优点：机动性：巡航时，可以关闭部分或大部分发电机组。操纵性：现代控制器驱动的推进器可以