热工过程与自动调节知识点(20141212)

1第一章自动调节的基本概念1、基本概念：被调对象：被调节的生产设备和生产过程被调量：通过调节需要维持的物理量给定值：根据生产要求，被调量的规定数值扰动：引起被调量变化的各种原因调节作用量：在调节作用下，控制被调量变化的物理量调节机关：在调节作用下，用来改变调节作用量的装置系统方框图：将实际的生产设备以及它们相互间的连接关系用抽象的形式表示，是一种对调节系统进行描述或分析的有力工具和非常直观的表达方式，主要由环节方框和信号线组成。环节：每一个方框代表一个能完成一定职能的元件同类环节：物理系统不同，数学模型的形式完全相同，两个环节的因果关系类同注：不能说一个元件只能用一个方框表示，同一个元件在反映两个或多个不同特性时，应该用两个或多个方框来表示它们不同的因果关系信号线：连接各个环节且带有方向箭头的线，信号线只表示信号的传递关系和方向，而不是代表物料是从水槽中向外流出的，信号的流向不能逆行。2、自动调节系统的分类：（1）按给定值信号的特点分类：1、恒值调节系统2、程序调节系统3、随机调节系统（2）按调节系统的结构分类:2.1、反馈调节系统（也称闭环调节系统）：把被调量信号经过反馈回路送到调节器的输入端和给定信号进行比较，比较后的偏差信号作为调节器的调节依据。特点：①在调节结束时，可以使被调量等于或接近于给定值；②当调节系统收到扰动作用时，必须等到被调量出现偏差后才开始调节，调节的速度相对比较缓慢2.2、前馈调节系统（也称开环调节系统）：调节器接受了被调对象受到的扰动信号，按预定的调节规律立即对被调对象产生一个调节作用，以抵消扰动信号对被调量的影响。不存在反馈回路。特点：①由于扰动影响被调量的同时，调节器的调节作用已产生，所以调节速度相对比较快；②由于没有被调量的反馈，所以调节结束时不能保证被调量等于给定值2.3、复合调节系统：前馈+反馈（3）按调节系统闭环回路的数目分类：1、单回路调节系统2、多回路调节系统（4）按调节作用的形式分类：连续调节系统2、离散调节系统（采样调节系统）（5）按系统的特性分类：1、线性调节系统2、非线性调节系统3、典型的调节过程：（1）非周期（不振荡的）调节过程（2）衰减振荡调节过程（3）等幅振荡调节过程（4）渐扩振荡调节过程注：后两种不可采用4、自动调节系统主要的性能指标：4.1、稳定性：负反馈是调节系统稳定的必要条件，正反馈是系统不稳定的根本原因，系统的稳定性用衰减率来衡量，衰减率：131=MMM稳定性的最佳指标：0.750.9非周期调节过程：=1；等幅振荡调节过程：0；衰减振荡调节过程：01；渐扩振荡调节过程：024.2、准确性：反应调节过程中和调节结束时被调量与给定值之间偏差的程度（1）动态偏差maxe：在整个调节过程中被调量偏高给定值的最大偏差值（2）静态偏差e：调节过程结束后被调量和给定值之间的偏差值4.3、快速性：反应调节过程持续时间的长短，称调节时间st4准则数I：0|y()()|Itydt，I值数值越小，调节的质量越好5超调量pM：反映系统调节过程中被调量超过稳定值的最大程度max100%pyyMy第二章自动调节系统的数学模型1、静态特性：系统处于平衡状态时（即输入信号和输出信号都不随时间变化），输出信号和引起它变化的输入信号之间的关系，称为系统的静态特性。2、动态特性：系统处于不平衡状态时（即输入信号和输出信号随时间变化），输出信号和引起它变化的输入信号之间的关系，称为系统的动态特性。通常用微分方程来描述。写动态特性方程时，需将与输出有关的各项放在等号左侧，将与输出有关的各项置于等号右侧，等号左右侧各项均按降幂形式排列。对于电感器，有uLdiLdt对于电容器，有01utCidtC对于电流，有dqidt合力22mdxFdt弹力FKx摩擦力dxFfdt3、拉普拉斯变换：一种解线性微分方程的简便运算方法，其定义式：0[()]()()stLftFsftedt()ft——原函数s——复变数，sj()Fs——()ft的象函数拉普拉斯变换存在的条件：0|()|tftedt4、拉普拉斯反变换：11()[()]()2jstjftLFsFsedsj传递函数：线性定常系统在零初始条件下，系统（或环节）输出信号的拉普拉斯变换与输入信号的拉普拉斯变换之比。5、单位脉冲响应函数：当系统（或环节）的输入信号()rt为单位脉冲函数()t，传递函数为()Gs，则它的输出信号()ct称为单位脉冲响应，()ct的数学表达式称为单位脉冲响应函数。36、单位阶跃响应函数：当系统（或环节）的输入信号()rt为单位阶跃函数1()t，传递函数为()Gs，则它的输出信号()ct称为单位阶跃响应，()ct的数学表达式称为单位阶跃响应函数。7、基本环节：（1）比例环节：输出信号能按一定比例、无延迟和无惯性地复现输入信号变化的环节微分方程：c(t)=Kr(t)传递函数：(s)G(s)=()CKRs频率特性：0()jGjKeK幅频特性：()MK相频特性：()0o（2）积分环节：输出信号的变化速度与输入信号成比例微分方程：01c(t)=r(t)tIdtT（IT：积分时间）传递函数：(s)1G(s)=()ICRsTs频率特性：21111()jGjejTT幅频特性：11()MT相频特性：()-2（3）惯性环节（非周期环节）：微分方程：()()()dctTctKrtdt传递函数：(s)G(s)=()1CKRsTs频率特性：()1KGjjT幅频特性：22()1+KMT相频特性：1()tgT（4）理想微分环节：输出信号与输入信号的变化速度成比例的环节微分方程：()c(t)=DdrtTdt（DT：超前时间）传递函数：(s)G(s)=()DCTsRs频率特性：2()jDDGjjTTe幅频特性：()DMT相频特性：()2（5）实际微分环节：微分方程：()()()DDDdctdrtTctKTdtdt（DT:时间常数DK:放大系数）传递函数：s(s)G(s)=()1DDDKTCRsTs（6）纯迟延环节：环节的输出信号的变化与输入信号的变化完全相同，只是落后了一段时间微分方程：c(t)=r(t-)传递函数：(s)G(s)=()sCeRs4频率特性：()jGje幅频特性：()1M相频特性：()环节的串联：总的传递函数等于各个环节传递函数的乘积环节的并联：总的传递函数等于各个环节传递函数的代数和环节的反馈连接：两个环节首尾互相联接形成一个闭合回路00(s)(s)G(s)=()1(s)()GCRsGHs(正反馈取减号，负反馈取加号)方框图的等效变换：（1）相加点的后移：在叠加信号中串联一个()Gs（2）相加点的前移：在叠加信号中串联一个1()Gs（3）引出点的前移：引出信号后串联一个()Gs（4）引出点的后移：引出信号后串联一个1()Gs第三章热工对象和自动调节器通道：表示输入信号和输出信号之间的信号联系调节通道：调节作用至被调量之间的信号联系干扰通道：干扰作用至被调量之间的信号联系内扰：经过调节通道作用到对象上的扰动外扰：经过干扰通道作用到对象上的扰动有自平衡能力对象：对象在阶跃扰动作用下，，不需要经过外加调节作用，对象的输出量经过一段时间后能自己稳定在一个新的平衡状态。（1）自平衡系数：0()c自平衡能力越大的对象，值越大（2）时间常数cT：输出量以曲线上的最大变化速度变化时，从起始值至最终值所需的时间（3）飞升速度（响应速度）：在单位阶跃扰动作用下，输出来量的最大变化速度（4）响应时间aT：响应速度的倒数（5）延迟时间：从输入信号阶跃变化瞬间至切线与输出量起始值水平线交点间的时间间隔热工对象的特点：输出量的变化过程是不振荡的；在扰动发生的开始阶段有迟延和惯性：在过程的最后阶段，有自平衡能力对象输出量达到新的稳态值，不为零，无自平衡能力对象输出量不断变化，不能达到新的稳态值，即为零。PID调节器的传递函数：()()()IRPDKsGsKKSEsS5其中，PK——比例放大系数，IK——积分放大系数，DK——微分放大系数调节器参数：PK、IT、DT（/DDPTKK,为微分时间，/IpITKK，为积分时间）P调节器：只有比例调节作用动态方程：1()()Petet（t)=K传递函数：()1()()RPsGsKEsPI调节器：具有比例和积分作用动态方程：00111[()()][()()]ttPIIetetdtetetdtTT（t)=K传递函数：()111()(1)(1)()RPIIsGsKEsTsTsPD调节器：具有比例和微分调节作用动态方程：[()()]PDdetTetdt（t)=K传递函数：()1()(1)(1)()RPDDsGsKTsTsEs三种积分调节作用分析：（1）比例调节作用（P作用）：动作快，对干扰能有抑制作用，存在静态偏差。动态方程：1()()Petet（t)=K传递函数：()1()()RPsGsKEs（2）积分调节作用（I作用）：能消除静态偏差，调节作用不断加强，直至偏差为零动态方程：01()tIetdtT（t)=传递函数：()1()()RIsGsEsTs（3）微分调节作用（D作用）：超前的调节作用，不能消除偏差动态方程：()DdetTdt（t)=传递函数：()()()RDsGsTsEs第四章系统的时域分析时域分析法：根据系统的微分方程，求出输入为某种时间函数时微分方程式的解，即调节系统的时间响应，从而进一步分析系统的稳定性及其稳态和动态品质。对于非齐次微分方程：221002()()()()dctdctaaactbrtdtdt其解12()()()ctctct，即齐次的通解+非齐次的特解即：系统对输入的响应=瞬态响应+稳态响应61()ct描述了系统在输入为零时的自由运动，只与系统本身性质有关，2()ct描述了系统在输入信号作用下的强迫运动，在单位阶跃输入作用下（即r(t)=1），020()bcta二阶系统传递函数的通用形式：222()2nnnKGsss阻尼振荡频率：21dn峰值时间：pdt（响应超过稳态值后到达第一个峰值所需的时间）超调量：2/1pMe（随阻尼比的增大而减小）衰减率：22/11e（振荡过程曲线中相邻两个振幅的衰减百分比）衰减指数m：欠阻尼二阶系统特征根的实部绝对值与虚部绝对值之比，即2m=1调节时间st：响应曲线的包络线与稳态值的偏差减小到允许范围所需的时间采用2%的误差带时：4snt；采用5%的误差带时：3snt稳态误差：2221()1()1()1[(]1(0)2nnnKecsCssGssss）　ｓ频域分析：一种利用频率特性（稳态特性）来分析系统动态品质的方法。频率特性：()()()jGjMe其中，()M是幅值，表示输出量与输入量的振幅比，()是相角，表示输出量与输入量的相位差第五章系统频域特性1频率特性的表示方法1）幅频特性和相频特性幅频特性：输出量与输入量的振幅比；相频特性：输出量与输入量的相位差。2）幅相频率特性幅频特性和相频特性通过频率建立的相互关系3）实频特性和虚频特性7实频特性：幅相频特性的实部；虚频特性：幅相频特性的虚部。2基本环节的频域特性1）比例；2）积分；3）微分；4）惯性；5）纯迟延；第六章自动调节系统的整定1自动调节系统整定：调节系统设计安装后，对调节器的参数进行选择和确认，以达到系统，稳定、准确、快速为目的，也就是合理地选择调节器中的各个参数使其达到最佳值。一般来说，自动调节器的调节作用主要由比例、积分和微分三种基本调节作用及其组合而成的。整定主要是对比例带、积分时间和微