動力系統(tǒng)自動化

1、內(nèi)燃機的扭矩可由下式表示：開環(huán)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)的控制作用沒有影響。按給定值進行控制；按擾動補償進行控制閉環(huán)控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的輸出對系統(tǒng)的控制作用有影響，即控制器的輸出作用于控制對象，控制對象的輸出（系統(tǒng)的輸出）將送回到控制器，控制器根據(jù)偏差進行控制。因此，又稱為反饋控制。復(fù)合控制：在一個控制系統(tǒng)中同時采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制粗調(diào)閉環(huán)控制細調(diào) 反饋控制系統(tǒng)的組成：控制對象：被控制的設(shè)備或過程（冷卻器）。系統(tǒng)的輸出就是指被控對象的輸出（或稱被控量）?？刂破鳎ɑ蚍Q調(diào)節(jié)器）：根據(jù)偏差按一定規(guī)律輸出控制量，送至執(zhí)行機構(gòu)。它有兩個輸入，即設(shè)定值輸入和測量值輸入。偏差=設(shè)定值測量值執(zhí)

2、行器（執(zhí)行機構(gòu)）：接受控制器送來的控制信號，驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)，作用于被控對象。測量變送器（測量單元）：將被控對象的物理輸出量，即 被控量轉(zhuǎn)換為標準信號輸出（也稱測量輸出），送到調(diào)節(jié)器，作為反饋信號。反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖特點： 信號傳遞的單向性；閉合回路（閉環(huán)系統(tǒng)）；負反饋：反饋通道的信號與前向通道的信號相減。反之，則為正反饋?？刂茊卧鶕?jù)偏差進行控制，因此又稱偏差驅(qū)動。若控制單元、測量單元和執(zhí)行單元合為一體，則稱為基地式控制儀表；若三者分開，則稱為組合式控制儀表。反饋控制系統(tǒng)的分類:按給定值的形式：定值控制、程序控制、隨動控制按動作方式：連續(xù)控制、斷續(xù)控制按控制精度：有差調(diào)節(jié)、無差調(diào)節(jié)按變量數(shù)：

3、單變量控制、多變量控制按系統(tǒng)性質(zhì)：線性控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)按應(yīng)用理論： 基于經(jīng)典理論的控制 ;基于現(xiàn)代控制理論的控制（最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制）;智能控制（模糊、神經(jīng)、專家、自學(xué)習(xí)控制自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)穩(wěn)態(tài)被控量不隨時間而變化的平衡狀態(tài)（靜態(tài)）動態(tài)被控量隨時間而變化的不平衡狀態(tài)（瞬態(tài)）自動控制系統(tǒng)的過渡過程：自動控制系統(tǒng)在動態(tài)過程中被控量隨時間而變化的過程，或者說是從一個平衡態(tài)過渡到另一個平衡態(tài)的過程。根據(jù)過渡過程的特點，控制系統(tǒng)可分為：發(fā)散過程;等幅振蕩過程;衰減過程;非周期過程方法：給系統(tǒng)施加階躍輸入，得到系統(tǒng)過渡過程曲線，分析系統(tǒng)過渡過程的各項性能指標。采用階躍輸入的原因：信號的階

4、躍變化在實際中比較常見（近似階躍變化）;階躍信號的數(shù)學(xué)處理比較簡單;階躍輸入對系統(tǒng)的工作最為不利評定系統(tǒng)過渡過程性能指標的三個方面：穩(wěn)定性:系統(tǒng)受到擾動之后能夠恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力。實際控制系統(tǒng)，至少要求是率減過程或非周期過程，以率減為佳。評定指標：衰減率 ，衰減比N。定值控制系統(tǒng)：給定值不變，外部擾動發(fā)生階躍變化；隨動控制系統(tǒng)：假定外部擾動不變，給定值階躍變化。準確性：被控量偏離給定值的程度。評定指標：定值控制系統(tǒng)：最大動態(tài)偏差emax；靜態(tài)偏差ys隨動控制系統(tǒng)：最大動態(tài)偏差emax；超調(diào)量；靜態(tài)偏差ys 快速性評定指標：過渡過程時間 ts從擾動發(fā)生到被控量又重新趨于穩(wěn)定達到新的平衡態(tài)所需的

5、時間。此外還有振蕩頻率、振蕩次數(shù)等。自動控制的性能指標要求定值控制：動態(tài)偏差和靜態(tài)偏差要??；衰減率最好在0.750.9之間；過渡過程時間要短隨動控制：超調(diào)量要小；過渡過程時間要短；振蕩次數(shù)要少改善調(diào)速特性的方法：液壓調(diào)速器；電子調(diào)速器；電子控制噴油；共軌式電控噴油。PID 控制是比例積分微分控制（Proportional-Integral-Differential）在工業(yè)生產(chǎn)過程中，PID控制算法占85%90%。在過程控制中，絕大部分都采用 PID控制。例外的情況有兩種。一種是被控對象易于控制而控制要求又不高的，可以采用更簡單的開關(guān)控制方式。另一種是被控對象特別難以控制而控制要求又特別高的情況

6、，這時如果 PID控制難以達到生產(chǎn)要求就要考慮采用更先進的控制方法。PID控制器的輸出是由比例控制、積分控制和微分控制三項組成，三項在控制器中所起的控制作用相互獨立。因此，在實際應(yīng)用中，根據(jù)被控對象的特性和控制要求，可以選擇其結(jié)構(gòu)，形成不同形式的控制器，如比例（P）控制器，比例積分（PI）控制器，比例微分（PD）控制器等。在 P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號u與偏差信號e成比例，即 ukce式中，Kc稱為比例增益(視情況可設(shè)置為正或負)。比例控制器是最簡單的一種控制器，其控制規(guī)律為PID控制的特點：原理簡單，使用方便。適應(yīng)性強，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各種生產(chǎn)部門。魯棒性

7、強，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。對模型依賴少。按 PID控制進行工作的自動調(diào)節(jié)器早已商品化。2比例帶及其物理意義 比例帶的定義 在過程控制中，通常用比例度表示控制輸出與偏差成線性關(guān)系的比例控制器輸入（偏差）的范圍。因此，比例度又稱為比例帶，其定義為 具有重要的物理意義：u代表調(diào)節(jié)閥開度的變化量，就代表使調(diào)節(jié)閥開度改變100% 即從全關(guān)到全開時所需要的被調(diào)量的變化范圍。 比例調(diào)節(jié)的顯著特點就是有差調(diào)節(jié)。如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負荷擾動下的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值準確相等，它們之間一定有殘差。 因為根據(jù)比例調(diào)節(jié)的特點，只有調(diào)節(jié)器的輸入有變化,即被調(diào)量和設(shè)定值之間有偏差,調(diào)節(jié)

8、器的輸出才會發(fā)生變化。 余差（或靜差）是指：被調(diào)參數(shù)的新的穩(wěn)定值與給定值不相等而形成的差值。余差的大小與調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K或比例帶有關(guān)：放大系數(shù)越小，即比例帶越大，余差就越大；放大系數(shù)越大，即比例帶越小，比例調(diào)節(jié)作用越強，余差就越小。 比例調(diào)節(jié)的特點：（1）比例調(diào)節(jié)的輸出增量與輸入增量呈一一對應(yīng)的比例關(guān)系，即：u = K e（2）比例調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快，輸出與輸入同步，沒有時間滯后，其動態(tài)特性好。（3）比例調(diào)節(jié)的結(jié)果不能使被調(diào)參數(shù)完全回到給定值，而產(chǎn)生余差。比例帶對于調(diào)節(jié)過程的影響；大：調(diào)節(jié)閥的動作幅度小，變化平穩(wěn)，甚至無超調(diào)，但余差大，調(diào)節(jié)時間也很長；減小調(diào)節(jié)閥動作幅度加大，被調(diào)量來回波動，余差

9、減?。贿M一步減小被調(diào)量振蕩加??；為臨界值系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；小于臨界值：系統(tǒng)不穩(wěn)定，振蕩發(fā)散 比例帶的一般選擇原則：若對象較穩(wěn)定（對象的靜態(tài)放大系數(shù)較小，時間常數(shù)不太大，滯后較小）則比例帶可選小些，這樣可以提高系統(tǒng)的靈敏度，使反應(yīng)速度加快一些；相反，若對象的放大系數(shù)較大，時間常數(shù)較小，滯后時間較大，則比例帶可選大一些，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 比例帶的選取，一般情況下，比例帶的范圍大致如下：壓力調(diào)節(jié)：3070%；流量調(diào)節(jié)：40100%；液位調(diào)節(jié)： 2080%；溫度調(diào)節(jié)： 2060% 積分調(diào)節(jié)的特點：無差調(diào)節(jié)；穩(wěn)定作用比p調(diào)節(jié)差；積分調(diào)節(jié)的滯后性，所以一般在工業(yè)中，很少單獨使用I調(diào)節(jié)，而基本采用P

10、I調(diào)節(jié)代替純I調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)閥的速度減慢，結(jié)果是系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加了，但調(diào)節(jié)速度變慢；當積分常數(shù)小到某一臨界值時，調(diào)節(jié)過程變?yōu)榉钦袷庍^程。無論增大還是減小積分速度，被調(diào)量最后都沒有殘差。 比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)的比較：比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)，積分調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié)；比例調(diào)節(jié)能立即響應(yīng)偏差變化；積分調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)過程緩慢。 PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調(diào)節(jié)消除殘差。 積分飽和現(xiàn)象：具有積分作用的控制器，只要被控變量與設(shè)定值之間有偏差，其輸出就會不停地變化。如果由于某種原因(如閥門關(guān)閉、泵故障等)，被控變量偏差一時無法消除，然而控制器還是要試圖校正這個偏差，結(jié)果經(jīng)過一段

11、時間后，控制器輸出將進入深度飽和狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為積分飽和。進入深度積分飽和的控制器，要等被控變量偏差反向以后才慢慢從飽和狀態(tài)中退出來，重新恢復(fù)控制作用。 造成積分飽和現(xiàn)象的內(nèi)因是控制器包含積分作用，外因是控制器長期存在偏差，因此，在偏差長期存在的條件下，控制器輸出會不斷增加或減小，直到極限值。 抗積分飽和的措施：限制PI調(diào)節(jié)器的輸出UPI設(shè)定限值時，UPI=Umax，結(jié)果：這樣有可能在正常操作中不能消除系統(tǒng)的余差積分分離法e設(shè)定限值時，改用純P調(diào)節(jié)，結(jié)果：既不會積分飽和又能在小偏差時利用積分作用消除偏差遇限削弱積分法（抗積分飽和法）Upi設(shè)定限值時，只累加負偏差，反之亦然，結(jié)果：可避免控制量

12、長時間停留在飽和區(qū)。 如加熱爐溫度自動調(diào)節(jié),當溫度低于給定值時,則煤氣閥門應(yīng)開大,這是比例調(diào)節(jié)作用,但同時發(fā)現(xiàn),溫度降低的速度很快,說明出現(xiàn)了較大的擾動,則下一時刻的偏差將會更大,因此應(yīng)預(yù)先采取措施,即提前動作,把煤氣閥門的開度開得更大一些,這叫超前作用。 微分調(diào)節(jié)的特點：P和I是根據(jù)已經(jīng)形成的被調(diào)參數(shù)與給定值之偏差而動作(即偏差的方向和大小進行調(diào)節(jié))。微分調(diào)節(jié)是根據(jù)偏差信號的微分,即偏差變化的速度而動作的。只要偏差一露頭,調(diào)節(jié)器就立即動作，以求更好的調(diào)節(jié)效果偏差沒有變化,微分調(diào)節(jié)不起作用。微分調(diào)節(jié)主要用于克服調(diào)節(jié)對象有較大的傳遞滯后和容量滯后。 比例作用的輸出與偏差大小成正比；積分作用的輸出

13、變化速度與偏差成正比；微分作用的輸出與偏差變化速度成正比。 微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。此外，微分反應(yīng)的是變化率，而當輸入沒有變化時，微分作用輸出為零。微分作用不能單獨使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。 增量式PID控制算法的優(yōu)點：不累加誤差，增量的確定僅與最近幾次偏差采樣值有關(guān)，計算精度對控制量

14、的計算影響較?。坏贸龅氖强刂屏康脑隽?，誤動作影響?。辉隽啃退惴ú粚ζ钭隼奂?，因而也不易引起積分飽和；易實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。 與位置式數(shù)字PID控制算法相比，增量式數(shù)字PID控制算法有如下優(yōu)點：1）位置式每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān)，計算式中要用到過去偏差的累加值，容易產(chǎn)生較大的累積計算誤差。而在增量式中由于消去了積分項，從而可消除控制器的積分飽和，在精度不足時，計算誤差對控制量的影響較小，容易取得較好的控制效果（只存三個偏差值即可）。（2）為實現(xiàn)手動自動無擾切換，在切換瞬時，必須首先將計算機的輸出值設(shè)置為閥門原始開度。由于增量式計算只與本次的偏差值有關(guān)，與閥門原來的位置無關(guān)，其輸出對應(yīng)

15、于閥門位置的變化部分，因此，易于實現(xiàn)從手動到自動的無擾動切換。（3）采用增量式算法時所用的執(zhí)行器本身都具有保持功能，即使計算機發(fā)生故障，執(zhí)行器仍能保持在原位，不會對生產(chǎn)造成惡劣影響。 最大車速Vmax最高車速，是指汽車在平直的、良好道路（混凝土或柏油）上所能達到的平均最高行駛車速加速時間t原地起步加速時間：一般用0400m或者0100km/h的時間表示原地起步的加速時間超車加速時間：以最高檔或次高檔，以amax加速至某一高速所用的時間最大爬坡度imax，以滿載、良好路面上的imax來表示商用車30或16.5；越野汽車60或31；轎車最高車速較大，且通常在良好的市區(qū)道路行駛，可爬坡度很大；有的國

16、家要求汽車在常遇坡道上汽車必須保持的速度表明其加速能力。 汽車阻力滾動阻力Ff：輪胎內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的遲滯損失；這種遲滯損失表現(xiàn)為阻礙車輪運動的阻力偶。滾動阻力系數(shù)的試驗確定法：牽引法、滑行法和轉(zhuǎn)鼓法。空氣阻力：汽車直線行駛時受到的空氣阻力在汽車行駛方向上的分力爬坡阻力;加速阻力 快速地建立控制對象及控制器模型，并對整個控制系統(tǒng)進行多次的、離線的及在線的試驗來驗證控制系統(tǒng)軟、硬件方案的可行性，這個過程稱為 快速控制原型（RCP）。已設(shè)計完的控制器投入生產(chǎn)后，在投放市場前必須對其進行詳細的測試?，F(xiàn)在普遍采用的方法就是：在系統(tǒng)測試時，控制器是真實的，其余部分能采用實際的產(chǎn)品就用實際的，不能采用實際的產(chǎn)

17、品，就采用實時數(shù)字模型來模擬控制器的外環(huán)境，進行整個系統(tǒng)的測試，這個過程稱為硬件在環(huán)仿真（HILS）。 ECU的技術(shù)特征：抗干擾性；驅(qū)動能力；控制策略：控制策略的制定取決于兩個因素：算法的復(fù)雜性和控制效果。；穩(wěn)定性；通訊能力；魯棒性：魯棒性是指系統(tǒng)的一種抗干擾能力，這種抗干擾能力是指：在整個大系統(tǒng)的某個部分出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)的工作性能 三種控制方式的特點：質(zhì)量流量方式：通過空氣流量計直接測量進氣空氣流量；速度-密度方式：通過轉(zhuǎn)速和進氣管壓力推算空氣量，發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化范圍為10倍，油量調(diào)節(jié)范圍為80倍，因此有較好的調(diào)節(jié)精度；節(jié)氣門-速度方式：直接檢測節(jié)氣門開啟動作，過渡響應(yīng)好。 汽油噴射與化油器比

18、較的優(yōu)點：可以設(shè)計出提高發(fā)動機功率的進氣系統(tǒng)；各缸汽油分配均勻性好；不易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象；不易產(chǎn)生汽阻現(xiàn)象；加減速時的過渡響應(yīng)特性好；啟動、暖機性能好；可以相對進氣溫度和大氣壓力的變化修正空燃比。 汽油機控制實現(xiàn)微機化的優(yōu)點：實現(xiàn)復(fù)雜的控制和自由的特性，提高整機性能；共用同一運轉(zhuǎn)參數(shù)，集中控制燃油、點火系統(tǒng)；通過控制特性的數(shù)字化，提高穩(wěn)定性；實現(xiàn)各種不同發(fā)動機硬件的通用化。 電控的數(shù)字化時代特點：各子系統(tǒng)實現(xiàn)集中控制，改善了發(fā)動機性能；在反饋控制基礎(chǔ)上，增加了學(xué)習(xí)控制；速度-密度方式的控制方法開發(fā)廣泛化；出現(xiàn)了采用獨立噴射方式的稀燃系統(tǒng)。 ETC(電子節(jié)氣門控制)使用ECU來控制節(jié)氣門開度，節(jié)氣門

19、組合成一個單獨的控制單元，它帶有節(jié)氣門驅(qū)動器(直流電機)和節(jié)氣門開度傳感器。 帶ETC控制的發(fā)功機管理系統(tǒng)的節(jié)氣門和加速踏板沒有機械連接。加速踏板位置由加速踏板位移傳感器監(jiān)測，并通過踏板模塊轉(zhuǎn)變成電子信號。發(fā)動機管理系統(tǒng)稱這種信號為“駕駛員要求”。 柴油機電控系統(tǒng)：位置控制式電控系統(tǒng)；時間控制式電控系統(tǒng)：電控泵-管-嘴系統(tǒng)，柱塞泵，分配泵；電控共軌系統(tǒng)。 車載診斷系統(tǒng)（OBD）；中央電子控制單元(ECU) 自動控制：是指在沒有人直接參與的情況下，利用控制器使被控對象（指生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程）自動地按預(yù)定的規(guī)律運行。機械化 電氣化時代自動化、信息化、智能化 控制理論的發(fā)展:1、經(jīng)典控制理論4050

20、年代形成 SISO系統(tǒng) 基于：二戰(zhàn)軍工技術(shù) 目標：反饋控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定 基本方法：傳遞函數(shù)，PID調(diào)節(jié)器 (頻域)2 、現(xiàn)代控制理論 6070年代形成 MIMO系統(tǒng) 基于： 冷戰(zhàn)時期空間技術(shù)，計算機技術(shù) 目標：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)方程 （時域）3、智能控制技術(shù) 90年代開始發(fā)展 專家系統(tǒng);模糊控制;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)4、正在發(fā)展的各個領(lǐng)域 自適應(yīng)控制大系統(tǒng)理論；H魯棒控制；非線性控制（微分幾何，混沌，變結(jié)構(gòu)）燃料油(Fuel Oil)，柴油(Diesel Oil)柴油機與推進器機械連接的缺點：1、主機的功率必須按船舶最高航速配置，當工作在低速時，柴油機的效率迅速降低。原動機負載低時效率低是不可避免的，這就象大馬拉小車一樣。因而機動性要求高的船舶，例如軍艦、郵輪、各種工作船舶，其油耗高成為難以解決的頑癥；2、柴油機不能工作在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之下（當轉(zhuǎn)速太低時，柴油機會失火）。對于操縱性要求高，需要動態(tài)定位的船舶無法滿足要求（海上鉆井、電纜敷設(shè)、海上輸油）。另外在低轉(zhuǎn)速下也發(fā)不出大的扭矩（破冰船），沒有制動功能和迅速正倒車；3、主機與推進器剛性連接，制約了機艙優(yōu)化布置，占據(jù)了巨大空間，傳統(tǒng)的舵螺旋槳的推進效率低于電力推進船舶的吊艙推進器。以上缺點，正好是電力推進船舶的優(yōu)點。電力推進船舶的優(yōu)點：機動性：巡航時，可以關(guān)閉部分或大部分發(fā)電機組。操縱性：現(xiàn)代控制器驅(qū)動的推進器可以