第02章 节 控制系统基本组成环节特性分析 化工自动化及仪表（工艺类专业适用）.ppt

第2章控制系统基本组成环节特性分析
被控对象特性及其对过渡过程的影响
测量变送环节特性及其对过渡过程的影响
执行器特性及其对过渡过程的影响
控制规律及其对过渡过程的影响
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调节器
(控制器)
被控对象
测量变送环节
(传感器、变送器)
+
-
x
执行器
z
e
u
q
y
f
被控对象特性及其对过渡过程的影响
对象特性——是指对象输入量与输出量之间的关系(数学模型)
即对象受到输入作用后,被控变量是如何变化的、变化量为多少……
输入量??
控制变量+各种各样的干扰变量
由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道
控制变量至被控变量的信号联系通道称控制通道
干扰至被控变量的信号联系通道称干扰通道
对象输出为控制通道输出与各干扰通道输出之和。
控制通道
干扰通道
干扰变量
控制变量
被控变量
被控对象
★
数学模型的表示方法:
参量模型:采用数学方程式表示的数学模型
常用的描述形式:微分方程(组)、偏微分方程式(组)、状态方程、传递函数、等
参量模型的微分方程的一般表达式:
y(t)表示输出量,x(t)表示输入量,通常输出量的阶次不低与输入量的阶次(n≥m)
当n=m时,称对象是正则的;当n>m时,称对象是严格正则的;n<m的对象是不可实现的。通常n=1,称该对象为一阶对象模型;n=2,称二阶对象模型。
非参量模型:采用曲线、表格等形式表示的数学模型。
非参量模型可以通过记录实验结果得到,有时也可以通过计算得到。特点:形象、清晰,缺乏数学方程的解析性质,直接利用它们来进行系统的分析和设计往往比较困难。(必要时可对它们进行数学处理获得参量模型)。数学模型描述的是对象在受到控制作用或干扰作用后被控变量的变化规律,因此对象的非参量模型可以用对象在一定形式的输入作用下的输出曲线或数据来表示。主要有:阶跃反应曲线法、脉冲反应曲线法、频率特性曲线法等。
建模目的:
。比如控制系统中被控变量及检测点的选择、控制(操纵)变量的确定、控制系统结构形式的确定等都与被控对象的特性有关。
。此外,选择控制规律和确定控制器参数也离不开对被控对象特性的了解。
。这离不开对被控对象特性的了解,而且主要是依靠对象的稳态数学模型。
,往往离不开被控对象的数学模型。例如预测控制、推理控制、前馈动态补偿等都是在已知对象数学模型的基础上才能进行的。
,使操作人员可以再计算机上对各种控制策略进行定量的比较和评定。还可以为操作人员***操作的平台,从而为高速、安全、低成本的培训工程技术人员和操作工人提供捷径,并有可能制定大型设备的启动和停车操作方案。
。
·一阶线性对象
问题:求右图所示的对象模型(输入输出模型)。
解:
该对象的输入量为qi 被控变量为液位h
根据物料平衡方程:
单位时间内水槽体积的改变=输入流量—输出流量
由于出口流量可以近似地表示为:
(i)式是针对完全量的输入输出模型,(ii)式是针对变化量的输入输出模型,二者的结构形式完全相同。由于在控制领域中,特性的分析往往是针对变化量而言的,为了书写方便在以后的表达式中不写出变化量符号。
对上式作拉氏变换:
对象的传递函数:
该对象的阶跃响应:
如果qi为幅值为A的阶跃输入,则
这是最典型的一阶对象的传递函数
拉普拉斯反变换
·一阶线性对象(总结)
典型的微分方程
典型的传递函数
典型的阶跃响应函数
典型的阶跃响应曲线
h()
h(t)
T
()
qi
t
a
从微分方程的解析解来看
K――放大系数,在阶跃输入作用下,对象输出达到新的稳定值时,输出变化量与输入变化量之比,也称静态增益。K越大,表示输入量对输出量的影响越大。
T――时间常数,在阶跃输入作用下,%所需要的时间,或者说时间常数是对象的输出保持以初速度变化而达到最终稳态值所需要的时间。时间常数T是反映响应变化快慢的重要参数。
T大,反应慢,难以控制;T小,反应块。