04-自控儀表(動態(tài)特性)

1 3受控對象的動態(tài)特性 1 3 1基本概念 已了解的概念 自動控制原理對系統(tǒng)的基本要求過渡過程品質(zhì)指標 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 1基本概念 新問題的提出 怎樣的系統(tǒng)才能滿足以上基本要求 邁騰 奇瑞qq 梟龍 米格 15 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 1基本概念 問題初步結(jié)論 好的自動控制系統(tǒng)與控制方法 能夠被很好控制的工藝系統(tǒng) 問題討論 如何比較上述系統(tǒng)的優(yōu)劣 任務(wù) 使過程控制系統(tǒng)在控制受控過程時具有穩(wěn)定性 準確性和快速性 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 1基本概念 前提 分析研究受控過程狀態(tài)的可控性及其影響因素 實施 按照受控對象所特有的客觀規(guī)律進行自動控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計 目的 控制系統(tǒng)運行效果滿足最終的需要 問題分析 不同的受控對象 在接受自動控制系統(tǒng)作用時 表現(xiàn)各不相同 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 1基本概念 分析研究受控過程的基本特性 例如 水池灌水房間控溫 為更好地進行研究 先建立一些概念 隔離體 在過程控制中 可以把受控對象看作一個隔離體 隔離體具有自己的界面 該界面處一定有與過程控制有關(guān)的物質(zhì)或能量的輸入與輸出 例如 水池 容積式加熱器等 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 1基本概念 物量 能量平衡 在過程控制中 一定有與過程控制有關(guān)的物質(zhì)或能量 通過界面進入或輸出隔離體 當且僅當物質(zhì)或能量的流動達到平衡時 受控對象才會保持平衡穩(wěn)定的過程狀態(tài) 例如 水池水位的穩(wěn)定 以流入及流出的水量達到平衡為前提 容積式加熱器水溫的穩(wěn)定 一定以流入及流出的熱量達到平衡為前提 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 1基本概念 物量 能量控制 在受控對象界面內(nèi) 一旦物質(zhì)或能量的平衡被打破 想要依靠自動控制系統(tǒng)改變受控過程的狀態(tài) 使其達到新的平衡 就必須對流入流出受控對象的物質(zhì)或能量加以控制調(diào)整 例如 水池水位變化需調(diào)整水流量 容積式加熱器需調(diào)整熱媒蒸汽量等 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 1基本概念 平衡時間 在過程控制中 受控過程從一個平衡狀態(tài)到另一個平衡狀態(tài)往往需要一定的時間 這就是說 一般受控參數(shù)的變化比較緩慢 時間往往以分鐘甚至小時計算 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 1基本概念 儲蓄容量 因為受控對象往往具有很大的儲蓄容量 而流入 流出的物質(zhì)或能量的差額卻往往有限 例如 對于某個受控過程的受控參數(shù)為溫度時 流入 流出的熱流量的差額累積起來可以儲蓄在受控對象中 這時 受控對象表現(xiàn)為溫度升高 此時受控對象的儲蓄容量就是它的熱容量 熱容量大就意味著溫度變化過程不可能很快 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 1基本概念 純遲延 傳輸遲延 在過程控制中 受控對象往往表現(xiàn)純遲延 傳輸遲延特性 這是指受控過程的受控參數(shù)信號在傳輸過程中表現(xiàn)出的遲延特性 例如 對于容積式熱交換器熱水出口水溫恒定控制過程 溫度計應(yīng)盡可能安裝在離換熱器出口最近的位置 否則就造成了不必要的純遲延 它直接會影響到過程控制的快速性和穩(wěn)定性 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 1基本概念 1 3 2受控對象的容量特性 受控對象的容量 受控對象的容量是指在受控過程中 受控對象容納流入流出調(diào)控物質(zhì)或能量的能力 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 2受控對象的容量特性 例如 用同樣流量灌注不同大小的水池 若水池容積大 則灌滿水池的時間就長 反之 若水池容積小 則灌滿水池的時間就短 影響受控對象容量的因素 灌入同樣的水量 大水池的容積充滿程度變化甚微 對灌水反應(yīng)遲鈍 而小水池容積充滿程度變化顯著 對灌水反應(yīng)敏感 因此 其容量與水箱的有效容積有關(guān) 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 2受控對象的容量特性 影響受控對象容量的因素 還可得出這樣的結(jié)論 在灌注流量相同時 同等有效容積的水箱 其水位變化與橫截面積的大小有關(guān) 因此 當受控過程的受控參數(shù)為水位時 受控對象的容量與截面積大小有關(guān) 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 2受控對象的容量特性 影響受控對象容量的因素 a 大容積水箱 b 小容積水箱 c 大截面積水箱 d 小截面積水箱 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 2受控對象的容量特性 容量系數(shù) 僅用 容量 的概念來表達受控對象的容量特性是不準確的 因為 如果兩個水池 盡管其容積相同 但其截面積卻可以不同 當灌入的流量完全相等時 截面積小的水箱水位變化快 截面積大的水箱水位變化慢 因此 僅用 容量 的概念并不能確切地表達受控對象容納調(diào)控物質(zhì)或能量的能力大小 為此 必須引入一個新的概念 容量系數(shù) 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 2受控對象的容量特性 容量系數(shù) 仍以圖1 10 a 的水箱為例來討論容量系數(shù)的物理意義 當灌入流量 Qa1 與流出流量 Qa2 相等時 水箱的水位 Ha 處于平衡狀態(tài) 當由于某種干擾使得灌入 Qa1 Qr 與流出 Qa2 Qc 的流量不相等時 水箱水位就會發(fā)生變化 升高或降低 液位的變化率dh dt與出入水箱流量的差額 Q Q 成正比 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 2受控對象的容量特性 Q2 從此例中可以初步定性地得出如下結(jié)論 受控對象的容量越大 對擾動的反應(yīng)越慢 受控參數(shù)變化也越遲緩 這時相應(yīng)的控制系統(tǒng)比較容易控制 即對控制器的要求相對簡單 反之 受控對象的容量越小 對擾動的反應(yīng)越靈敏 受控參數(shù)的變化越迅速 相應(yīng)的控制系統(tǒng)就難控制 對控制器的要求越復(fù)雜 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 2受控對象的容量特性 容量系數(shù) 容量系數(shù) 這里的C值 反映了受控對象的容量特性 因此稱之為容量系數(shù) 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 2受控對象的容量特性 容量系數(shù) 推而廣之 任何受控過程受控參數(shù)變化一個單位時 需要流進或流出調(diào)控物質(zhì)或能量的變化量 稱為該受控過程的容量系數(shù) 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 2受控對象的容量特性 由于受控對象的各不相同 則受控過程需要流進或流出調(diào)控物質(zhì)或能量的形式也不同 這就導(dǎo)致了不同受控對象的容量系數(shù)也有各自不同的含義 有關(guān)容量系數(shù)的結(jié)論 容量系數(shù)C值越大 受控對象抗干擾能力越強 等量調(diào)控物質(zhì)或能量對受控過程的影響越小 容量系數(shù)C值越小 受控對象抗干擾能力越弱 接受等量調(diào)控物質(zhì)或能量的反應(yīng)越靈敏 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 2受控對象的容量特性 1 3 3受控對象的平衡特性 一 受控對象的阻力特性 一般的受控過程 都存在著對受控對象的控制作用和受控對象對控制的阻力作用兩個方面 不同的受控對象的受控過程 在同樣的調(diào)控物質(zhì)或調(diào)控能量作用下 有些受控過程變化大 而有些受控過程變化則較小 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 受控過程在同樣的調(diào)控物質(zhì)或調(diào)控能量作用下變化大的 可以認為該受控過程的調(diào)控阻力小 反之 受控過程在同樣的調(diào)控物質(zhì)或調(diào)控能量作用下變化較小的 可以認為該過程的調(diào)控阻力較大 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 通常情況下 受控對象的調(diào)控阻力用阻力系數(shù)R表示 阻力系數(shù)的大小與輸入受控對象的調(diào)控物質(zhì)或調(diào)控能量的增量成正比 與受控過程在調(diào)控物質(zhì)或調(diào)控能量作用下輸出量的變化量成反比 阻力系數(shù)R表示為 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 二 受控對象的自衡特性 在一些受控過程中 輸入受控對象的調(diào)控物質(zhì)或能量的變化將引起受控參數(shù)的變化 受控參數(shù)的變化又往往反過來作用于受控過程 影響受控過程的輸出量并使其發(fā)生變化 且該變化有利于受控參數(shù)在新的位置上重新穩(wěn)定 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 例如 以水箱為例 灌入流量Q1的改變將引起水箱水位H的變化 水箱水位H的變化又將作用于出水流量Q2 使Q2發(fā)生改變 出水流量Q2的變化 將減少灌入流量Q1與出流流量Q2的差 有利于水箱水位Ha在新的位置上重新穩(wěn)定 這種自身能夠重新獲得新的平衡的受控對象 稱為有自衡能力的受控對象 Q2 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 出水閥門開度越大 受控過程阻力越小 較小的水位變化就可使水箱出水流量有較大變化 有利于受控對象的自衡 反之 出水閥門開度越小 受控過程阻力越大 較大的水位變化才能使水箱出水流量有明顯變化 不利于受控對象的自衡 出水閥門開度為零 受控過程的阻力為無窮大 此時無論水位如何變化 都無法改變水箱出水流量的大小 受控過程無自衡能力 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 在另一些受控過程中 輸入受控對象的調(diào)控物質(zhì)或能量的變化也將引起受控參數(shù)的變化 但是受控參數(shù)的變化卻很少或不能影響受控過程輸出量的變化 也就是說 受控對象依靠自身能力的變化無法使受控參數(shù)在新的數(shù)值上重新穩(wěn)定 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 圖中 水箱出口有恒流泵 則無自衡能力 QI變化 H變化 H變化 QO不變化 水箱無自衡能力 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 在研究受控對象的動態(tài)特性時 一般都假設(shè)調(diào)控或干擾因素與受控參數(shù)的變化同步發(fā)生 也就是希望調(diào)控或干擾因素發(fā)生時 受控參數(shù)立即發(fā)生變化 受控參數(shù)在新的數(shù)值上穩(wěn)定下來所需的時間越短越好 這對提高調(diào)節(jié)質(zhì)量有益 三 受控對象的時間特性 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 但是 往往當干擾發(fā)生后 由于各種原因受控參數(shù)不能立即反應(yīng) 要經(jīng)過一段時間的延遲后受控參數(shù)才發(fā)生變化 這種現(xiàn)象稱為受控對象的時間滯后 如圖為一單容水箱 在階躍干擾的作用下 受控對象的過渡過程如曲線所示 其中T為時間常數(shù) 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 如果用時間常數(shù)T來衡量受控過程的調(diào)控速度 按照其物理定義來理解 則T就表明 在干擾出現(xiàn)的瞬時 水箱水位Ha就有一個初始的變化速度 若水位Ha以此初始速度變化 則達到新的穩(wěn)態(tài)水位所需要的時間t在數(shù)值上就等與時間常數(shù)T 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 時間常數(shù)T可以表明 在干擾發(fā)生后 受控過程的受控參數(shù)完成其變化過程所需時間的快慢 T越大 受控過程的受控參數(shù)變化越慢 接近最終穩(wěn)態(tài)值的速度越慢 反之 T越小 受控過程的受控參數(shù)變化越快 接近最終穩(wěn)態(tài)值的速度越快 受控對象在動態(tài)過程中的時間滯后有兩方面的原因 一是調(diào)控作用點到受控對象的傳遞距離較遠 造成受控對象接受調(diào)控作用時間上的滯后 稱為傳遞滯后 純滯后 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 二是由于受控對象具有多個容積 當調(diào)控作用產(chǎn)生后 作用結(jié)果先對流程靠前的容積起作用 然后再對后續(xù)容積起作用 造成受控對象之間轉(zhuǎn)接調(diào)控作用而引起的時間上的滯后 稱為過渡滯后 或容積滯后 受控參數(shù)的變化值需要經(jīng)過一次或二次儀表傳遞或處理信息 信息的傳遞或處理也有一個時間滯后問題 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 1 3受控對象的動態(tài)特性1 3 3受控對象的平衡特性 受控對象的時間滯后 雙容 當水箱進水量突然增加時 前一水箱的水位H1與后一水箱的水位H2都要發(fā)生變化 經(jīng)過一段時間后 兩水箱水位重新獲得穩(wěn)定 前一水箱水位H1的過渡過程就是單容對象的階躍響應(yīng)曲線 后一水箱水位H2的過渡曲線如上圖所示 開始斜率越來越大 經(jīng)拐點P后 斜率變得越來越小 如果經(jīng)拐點做曲線的切線與時間軸t相交 交點t1與受控參數(shù)開