热工自控复习题

1热工过程自动控制原理被控对象：被控制的生产过程或设备称为被控对象。被调量（被控参数）：表征生产过程是否符合规定工况的物理量被称为物理量或被调量或被控参数。扰动：引起被调量变化的各种原因都称为扰动。控制量（或调节量）：控制被调量变化的物理量称控制量（或调节量）。控制就是消除扰动的影响，使被调量恢复到给定值的过程。操作人员通过改变加热蒸汽流量Q1（通过手动改变蒸汽流量调节阀V的开度μ实现），消除各种扰动（主要是外界负荷即用户的用水量）的影响，使加热器出口温度θ等于给定温度θ0。操作人员的控制策略是：首先观测加热器出口温度θ，确定出口温度θ与给定温度θ0的偏差方向（是θ＞θ0，还是θ＜θ0）和大小，决定是关小或开大蒸汽流量调节阀V，以及应如何关小或开大蒸汽流量调节阀V，直到使出口温度θ等于给定温度θ0。在这里，决定控制作用的是被调量θ与给定值θ0的偏差，所以是按偏差（方向、大小）来控制的。偏差△δ（偏差）=Q0（设定）-Q（实际）反馈控制：从被控对象获得信息，经过判断、分析，确定控制作用又馈送到被控对象，这种方式成为反馈控制。从信息传输的过程看，它们构成了一个闭合回路，或形成一个闭环，所以又称闭环控制。为什么负反馈是反馈控制系统可以使用的必要条件而不是充分条件：反馈控制的目的是消除被调量与给定值的偏差，所以控制作用的正确方向应该是：被调量高于给定值时也就是偏差为负时控制作用应向减小方向，当被调量低于给定值时也就是偏差为正时控制作用应向加大方向，因此控制作用的方向与被调量的变化相反，也就是反馈作用的方向应该是负反馈，负反馈是反馈控制系统能够完成控制任务的必要条件。控制过程或调节过程：从扰动产生（如用水量增加），使被调量变化（出口水温度降低），操作人员改变调节机关（开大调节阀开度μ）增加蒸汽流量Q1使被调量最终又回到给定值（θ=θ0）有一个过程，这个过程称为控制过程或调节过程。动态偏差：在控制过程中，被调量会暂时偏离给定值，这个偏差称为动态偏差；而且调节过程总要经历一定的时间，这个时间称为过渡过程时间。组成自动控制系统所需的设备主要包括：（1）测量单元（2）给定单元（3）调节单元（4）执行器判断自动控制系统调节过程好坏的标准（质量的好坏）：1稳定性2准确性，△δ越小越好3过渡过程时间越小越好，快速性。自动控制理论研究的问题主要有两个：系统分析和系统综合建立数学模型：要解决系统分析和系统综合这两个问题，都离不开对表征系统运动的所有参数变量及它们之间关系的充分了解，并用数学形式进行描述。这就是常说的必须建立系统的数学模型。建立数学模型是控制原理的基础。稳态模型或静态模型：系统在稳定状态下，即输入u或输出y各阶导数都为零（或t→∞）时，系统的输出y和输入u的关系称系统的稳态模型或静态模型，又可称稳态特性或静态特性。动态模型：系统在动态过程中输出y与输入u关系的数学描述就是系统的动态模型（或动态特性）。控制理论中常用传递函数描述系统的输出-输入关系，其定义为：在零值初始条件下系统输出和输入拉普拉斯变换之比，2写成：G（s）=L[y（t）]=Y(s)L[μ(t)]U(s)（问答写，填空不用写公式）式中L——拉普拉斯变换算子。传递函数作用：传递函数是描述线性定常系统在初始条件为零时系统的输出—输入的关系，是线性控制系统理论最常用的表达系统端部特性的方法。单位脉冲函数单位脉冲函数δ(t)输入下系统的输出——单位脉冲响应g（t）单位脉冲函数δ(t)的数学表达式为：δ(t)={0t=0∞t=0而且∫∞0δ(t)dt=1单位脉冲函数δ(t)可用图a表示，其近似矩形脉冲可用图b表示单位脉冲函数的拉普拉斯变换为1，所以在δ(t)输入下，输出y（t）为：y(t)=L-1[G(s)]=g(t)式中L-1——反拉普拉斯变换算子。单位阶跃函数单位阶跃函数1（t）输入下系统的输出——单位阶跃响应h（t）单位阶跃函数可以用下图表示，起数学表达式为：1(t)={0t＜01t≥0单位阶跃函数1（t）的拉普拉斯变换为，所以输出响应y（t）为：y（t）=L-1[G(s)]=h(t)3自动控制系统主要由被控对象和自动调节器组成。设计和研究自动控制系统包括的主要内容：选择好被控对象和控制作用，采用分析法、试验法给被控对象建模，拟定控制系统，选择控制规律，确定调节器参数，对控制系统进行仿真，投入运行，根据投运结果进行修正，直到能圆满完成控制任务。什么是热工对象（热工对象动态特性）：被控对象的动态特性是指对象在输入扰动（调节作用和外部扰动）发生变化时，其输出（被调量或被控量）岁时间的变换规律，实际行就是要建立p53图中的只有一个被调量y的G0（s），G01（s），…，G0n（s）的表达式。有自平衡能力：所谓对象有自平衡能力，就是指在阶跃输入扰动下，不需要经过外加调节作用，被调节对象的被调量经过一段时间后能自己稳定在一个新的平衡状态。自动调节器的基本调节作用及其特点：生产过程自动调节系统中应用的自动调节器，酒气动态特性而言都是比例、积分、和微分三中基本调节作用的组合常用的是电动PID调节器1比例调节器（P调节）输出表达式△μ=Kp△δ式中：Kp比例系数、比例常数、比例放大系数，△δ输入信号比例调节器的特点：有差调节，是最常用的调节器，也是最基本的调节器优点：调节作用强缺点：有静差解决办法：手动再调设定值，如图2积分调节器（I调节）特点：无差调节输出表达式△μ=∫△δdt式中积分时间随着时间的推移，积分调节器可以逐渐的把偏差值△δ调节到设定值上，它不能单独使用，应用只有积分作用的调节器时容易造成造成调节动作过头而引起调节过程的反复振荡，3微分调节器（D调节）输出表达式△μ=Tp式中Tp微分时间偏差变化率导数是函数的变化率导数值越大，说明它的变化率越大；导数值越小，说明它的变化率越小。在扰动比较频繁的场合，多采用微分调节器，超前调节，在比例调节和积分调节还没有动作时，微分调节器能及时、有效克服偏差，有效克服干扰。从上面的三种基本调节作用中可以看出：比例调节作用是自动调节器中的主要成4分，只有比例作用的调节器也可以执行调节任务；积分调节作用只能在少数情况下可以单独应用，在一般情况下积分调节作用和微分调节作用是自动调节器的辅助成分，利用它们的动态应用特点改善自动调节系统的性能。因此工业上应用的自动调节器就其动态特性分类，主要有（1）比例作用调节器，（2）积分作用调节器，（3）比例加积分作用调节器，（4）比例加微分作用调节器，（5）比例加积分加微分作用调节器。工业调节器的动态特性：PID调节器的阶跃响应曲线如图a和图b所示其中图a为阶跃信号图（理想调节图）图b阶跌信号图（实际调节图）？？？？？？控制系统的参数整定或系统整定：如果系统结构已定，调节器的动作规律也已确定，如何改变调节器参数使系统的过渡过程具有预期的性能要求，这类命题就是系统的综合问题之一。在整定系统时所用的性能指标可以分成两类：一类是积分准则，另一类是稳定性裕量。两种工程上常用的整定控制系统的方法：根据系统的开环阶跃响应特性进行近似计算的方法，和使系统处于便捷稳定后适当增加稳定性裕量的试验方法。