自动控制系统构成环节的特性及方案确定.ppt

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1.2自动控制系统构成环节的特性控制对象的特性自动控制设备的特性1、传感器的特性2、控制器的特性3、执行器的特性难点控制（调节）对象特性调节对象是调节系统中最基本的环节，一切调节设备都服务于它，并根据调节对象特性来设计和调整调节系统。

调节对象动态特性一定程度上决定了调节过程和调节质量。

对象特性包括静态特性和动态特性两部分，常用迟延，时间常数T和放大系数（传递系数）K来综合表示对象特性。

常用的典型干扰形式有阶跃变化、等速变化、脉冲与周期波动等。

热工对象特性常用对象响应曲线来描述对象响应曲线（飞升曲线）是指在没有控制器的情况下对象受到阶跃干扰后，被控参数随时间变化的曲线，它反映了控制对象的动态特性。

a）阶跃干扰b）无迟延的单容对象c）有迟延的单容对象d）有迟延的双容对象图1-6控制对象常见的响应曲线形式研究方法研究调节对象特性，基本方法是向对象输入一个单位阶跃干扰，然后分析下列两点：

1.从新稳态数值求取对象的静态特性，如放大系数。

2.从过渡过程曲线求取对象动态特性参数，如时间常数T和迟延等。

描述对象特性的参数1、容量和容量系数任何一个调节对象，都贮存一定的能量或工质。

对象贮存能量和工质的能力称为对象的容量，即当被调参数等于给定值时，在调节对象中所储蓄的能量或物料量。

容容量量修正系系数数容量系数C表示被调参数变化一个单位值时，对象容量的改变量，也就是容量对被调参数的一阶导数。

对象的容量系数与对象的习惯有关，容量系数大的，惯性也大。

在干扰作用下，被调系数的变化速度取决于容量系数C，而不取决于容量描述对象特性的参数放大系数（11）为干扰输入量，为原稳态值，为新稳态值。

即单位干扰引起的被控参数的变化量，它表示对象的自平衡能力的大小。

所谓自平衡能力就是在没有控制器的情况下，对象受到干扰后也能够稳定下来的性能。

放大系数越大，自平衡能力越小，抗干扰能力越差。

描述对象特性的参数时间常数T1从响应曲线的起始点作切线与新稳态值交点的时间间隔称时间常数，它表示热工对象惯性的大小，即表示对象受到干扰后从一个稳定状态到另一个稳定状态过渡过程的快与慢。

一般说来，对象时间常数大，被控参数变化缓慢，控制过程时间长，但系统平稳；对象时间常数小，被控参数变化快，控制过程时间短，但容易引起系统振荡和超调，所以时间常数适当大，可调性能较好。

描述对象特性的参数迟延时间在实际生产过程中，不少控制对象在受到干扰作用或控制作用后，被控参数并不立即变化，而是延迟一段时间才发生变化，这段延迟时间称为控制对象的迟延时间。

迟延时间分为传递迟延与容量迟延。

传递迟延是由于调节机构到控制对象、控制对象到传感器之间存在距离，能量或物料量发生输入变化时，不能立即充满空间，需要一定的传递时间。

对象迟延时间的存在将使超调量增大，稳定性下降，控制时间加长，控制品质变坏。

从提高系统稳定性的角度来看，希望其他环节的时间常数尽量比对象的时间常数T1小，同时也希望放大系数K1小些。

但小会使静差增大，所以从提高系统稳定性的角度与从提高系统精密度的角度对T1的要求是矛盾的。

解决此矛盾的原则是：

在满足系统稳定性要求的前提下，尽量增大K1值，以提高系统的控制精度。

6、对象的负荷对象的负荷是指自动控制系统处于稳定状态时，单位时间内流入或流出调节对象的能量或物料量。

调节对象的数学描述对象的动态特性及特征参数：

1）有自平衡能力对象的数学模型的建立2）无自平衡能力对象的数学模型的建立3）对象特性参数求取的实验方法溢流阀动态特性动态特性动态动态流量平衡阀和电动调节阀组合空调空调容量的选择对象特性参数求取的实验方法是指对象处于平衡状态时，向对象输入信号，分析其响应曲线，得到其特性参数的方法。

（1）阶跃响应曲线的测定

（2）数据处理及对象特性参数的求取上升阶跃响应阶跃响应时间变化曲线曲线间冷式电冰箱系统的动态过程间冷式电冰箱系统的动态过程拉氏变换与传递函数1、拉氏变换传递函数拉氏变换的基本性质：

1）线性性质2）相似定理3）微分定理4）积分定理5）终值定理6）初值定理7）位移定理1.2.2自动控制设备的特性1、控制器的特性2、传感器的特性3、执行器的特性控制器的特性控制器的输出p与输入e的函数关系p=f（e）,即控制器的控制规律。

1、控制器的特性、控制器的特性二、传感器的特性在制冷与空调系统中，常用的有温度、压力及湿度等几种传感器。

这些传感器，一般可以看作单容对象，其性能可以用与图1-6相似的响应曲线来描述，其时间常数T2用表示，表征传感器热惯性的大小。

根据T2的大小，对于铂电阻一类的温度传感器，热电阻可分为大惯性的T2=1.54.0min，中惯性的T2=10s1.5min，小惯性的T210s。

选择传感器时，如要及时反应被控参数的变化，必须选用小惯性的传感器。

作用执行器是自动控制系统中的动力部件，它的作用是将控制器送来的控制信号p变成控制量，克服干扰造成的影响。

类型有直接作用式与间接作用式之分。

传感器、控制器、调节机关组装成一个整体的执行器为直接作用式执行器。

直接作用式执行器的构造简单、价格便宜，但灵敏度和精度较差，常用于控制质量要求不高的制冷系统中。

如热力膨胀阀、蒸发压力调节阀、直接作用式蒸汽加热阀等都属于这种直接作用式执行器。

三、执行器的特性类型传感器、控制器、执行器三者分别做成三个（或二个）部件的执行器称为间接作用式执行器。

当被控参数发生变化后，传感器发出测量值信号，送至控制器，信号经控制器放大，再送至执行器，从而使调节机关动作。

控制器及执行器从外部输入辅助能量，故执行器能发出较大的力或功率。

间接作用式执行器比直接作用式的灵敏度高，输出功率也大，作用距离也长，便于集中控制，但间接作用式执行器也存在着需要辅助能源和结构较复杂的缺点。

三、执行器的特性类型按照辅助能量的不同，间接作用式执行器又可分为三类：

气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀。

气动和电动调节阀是制冷空调系统中常用的，液动调节阀仅用在需要动作迅速而推力又很大的场合，制冷空调系统中很少使用。

三、执行器的特性1.3自动控制系统的方案确定与运行自动控制系统品质指标的确定控制设备的选择控制系统的投入运行首先必须深入分析生产过程，了解控制对象的特性，合理地确定被控参数的基数和精度，研究外部干扰的特点；其次根据控制对象及干扰的特点，选择合适的自动控制装置即传感器、控制器和执行器，与控制对象一起组成一个合理的自动控制系统，设计出系统最佳匹配；第三在自动控制系统建成投入运行前，必须根据控制对象的特性，整定控制器参数，使控制器和控制对象达到最佳匹配。

自动控制系统的基本要求：

1.3.1自动控制系统品质指标的确定对不同的自动控制系统，除了要求稳定性以外，其它几项指标通常都希望它们小一些，但这样需要设置较为复杂的自动控制装置。

因此，要根据控制对象的特性和生产工艺要求，合理地确定各项品质指标。

例如冷库制冷系统，由于被控参数（如温度、湿度）的变化比较缓慢，因而对最大偏差ymax、控制时间ts的要求可以适当放宽，而对静态偏差y（）的要求则比较严格。

再比如空调系统则是为了改善工作与生活条件，往往只对静态偏差y（）提出要求，对其它几项指标的要求也可以放宽，这样可以为自动控制系统的设计和调试带来方便。

1.3.2控制设备的选择1.自动化仪表的分类自动化仪表和元件按其功能不同，大致可分为检测仪表、显示仪表、控制仪表和执行器四类。

按其结构不同可分为基地式仪表和单元组合式仪表两大类。

基地式仪表一般以指示或记录仪表为主体，附带将控制系统中的其余部分（常见的是控制部分）也装在仪表壳内，构成一个整体，使仪表具有指示、记录和控制功能，这类仪表常用于简单的控制系统。

单元组合式仪表则是根据自动控制系统组成部分的各种功能和要求，将整块仪表分为若干能独立完成某项功能的典型单元（如变送单元、转换单元、运算单元、给定单元、控制单元、辅助单元和执行单元等），各单元之间的联系都采用统一的标准信号（气动仪表采用0.020.1MPa气压信号，电动仪表采用010mA直流电信号）。

在制冷、空调系统中，也可按生产过程中各种工艺参数，把自动化仪表分为温度指示控制仪表、压力指示控制仪表、液位指示控制仪表、湿度指示控制仪表和自动控制执行机构。

2.自动化仪表的品质指标是反映仪表指示值接近被测实际值程度的品质指标。

被测参数的大小，通常是用仪表来检测的，但仪表的指示值与被测参数的实际值往往是有一定差距的，这个差值叫仪表的绝对误差。

被测参数的实际值通常是不知道的，在仪表校验中，常常用精确度较高的标准仪表指示值来代替实际值。

（1）仪表的精确度（也叫精度）仪表的绝对误差不能准确地反映出仪表的质量，因为同样大的绝对误差，在不同量程（测量范围）的仪表中，误差所占的比例是不一样的。

工程上常用仪表的基本误差来表示仪表的精度。

举例：

有两只测温范围不同的仪表，假设最大绝对误差都是1，则测温范围为0100的仪表的基本误差为：

测温范围为040的仪表，其基本误差为：

仪表的精确度是按国家统一规定的允许误差大小划分成几个等级。

某一类仪表的允许误差是指在规定的正常情况下，这类仪表所允许具有的最大的仪表基本误差。

如精度等级为1.5级的仪表，其允许误差不超过1.5%。

常用仪表的精度等级有0.35、1.0、1.5、2.5等。

0.35级以下的仪表可以当作标准仪表。

仪表的精度等级常以圆圈内的数字标在仪表的面盘上或写在说明书里，如1.0级仪表以1.0表示。

仪表的精确度等级虽然代表着仪表的允许误差，但被测参数的误差在每一个测量点都是不同的。

某测量点最大可能出现的绝对误差为：

举例：

某只精度为2.5级的测温仪表，测温范围为050，当测温读数为5时当测温读数为50时：

可见，仪表的精确度固然对测量结果有着很大影响，但一般来说，仪表的精确度并不就是测量结果的精确度，后者还与被测量值的大小有关。

只有仪表运用在满刻度时，测量结果的精确度才等于仪表的精确度。

在选用时，应尽量使被测参数值在仪表量程的上限部分。

但同时也要仪表考虑到被测参数可能出现的最大值不要超过仪表的量程，以免损坏仪表。

在外界条件不变的情况下，使用同一只仪表对被测参数进行正反行程（即由小到大和由大到小）测量时，发现相同的被测参数值所测得的仪表指示值却不相同，如图1-20所示。

（2）变差两次测量值最大绝对误差max与仪表量程范围之比的百分数称为仪表的变差，即仪表的变差应不大于仪表的基本误差，变差越小，仪表的再现性越好，工作越可靠。

造成变差的原因很多，如传动机构的间隙、仪表运动部件的摩擦、弹性元件的弹性迟延、一定方向的外磁场等。

（3）灵敏度和灵敏限1）灵敏度灵敏度表示测量仪表对被测参数变化的敏感程度。

用公式表示为：

把相同的两个压力表，都通入同样的微小压力，其中一只表的指针不动，另一只表的指针转动，那么后者比前者要灵敏。

灵敏度越高，越能感觉被测参数的微小变化。

仪表的灵敏限是指能引起仪表指针发生动作的被测参数变化的最小限度，也称灵敏度界限或分辨力。

仪表的精确度越高，灵敏度越高，灵敏限就越小；但灵敏度高的仪表，易受噪声、振动等外界条件的影响而使精确度降低。

因此，应在仪表的灵敏度和精度之间加以协调。

2）灵敏限3.自动化仪表的选择1、确定仪表的种类2、考虑仪表的控制规律3、根据是否要求自动记录与指示等功能来确定仪表的类型4、应考虑仪表的量程、精度等级及其它方面的具体要求5、最后确定所需仪表的具体方案。

控制对象的可调性，是以对象的特征比值大小来描述的。

值较小，可调性能好，采用简单的控制规律便可取得较好的控制效果；值大，可调性能差，应采用复杂的控制规律，或其他现代控制技术，才能获得较好的控制效果。

1）要考虑广义对象的特点。

所谓广义对象，是指除控制器外，控制系统中其他环节的统称。

（1）控制规律（算法）的选择应分析控制系统可能遇到的干扰的幅值、频率及作用点。

对于影响较大的干扰，应采用必要的防干扰措施，同时控制器也应选用较复杂的控制规律。

2）要考虑干扰的特性3）要考虑对象对控制精度的要求。

如冷藏舱对温度静态偏差y（）要求在0.5以内，就不得考虑精度较高，较复杂的比例积分控制