04-自控仪表(动态特性)

1.3受控对象的动态特性1.3.1基本概念已了解的概念：自动控制原理对系统的基本要求过渡过程品质指标1.3受控对象的动态特性1.3.1基本概念新问题的提出：怎样的系统才能满足以上基本要求？迈腾奇瑞qq枭龙米格-151.3受控对象的动态特性1.3.1基本概念问题初步结论：好的自动控制系统与控制方法+能够被很好控制的工艺系统问题讨论：如何比较上述系统的优劣？任务→使过程控制系统在控制受控过程时具有稳定性、准确性和快速性1.3受控对象的动态特性1.3.1基本概念前提→分析研究受控过程状态的可控性及其影响因素实施→按照受控对象所特有的客观规律进行自动控制系统的软硬件设计目的→控制系统运行效果满足最终的需要问题分析不同的受控对象，在接受自动控制系统作用时，表现各不相同。1.3受控对象的动态特性1.3.1基本概念分析研究受控过程的基本特性例如：水池灌水房间控温为更好地进行研究，先建立一些概念。隔离体:在过程控制中，可以把受控对象看作一个隔离体，隔离体具有自己的界面，该界面处一定有与过程控制有关的物质或能量的输入与输出。例如，水池、容积式加热器等。1.3受控对象的动态特性1.3.1基本概念物量/能量平衡:在过程控制中，一定有与过程控制有关的物质或能量，通过界面进入或输出隔离体，当且仅当物质或能量的流动达到平衡时，受控对象才会保持平衡稳定的过程状态。例如，水池水位的稳定，以流入及流出的水量达到平衡为前提；容积式加热器水温的稳定，一定以流入及流出的热量达到平衡为前提。1.3受控对象的动态特性1.3.1基本概念物量/能量控制:在受控对象界面内，一旦物质或能量的平衡被打破，想要依靠自动控制系统改变受控过程的状态，使其达到新的平衡，就必须对流入流出受控对象的物质或能量加以控制调整。例如：水池水位变化需调整水流量；容积式加热器需调整热媒蒸汽量等。1.3受控对象的动态特性1.3.1基本概念平衡时间:在过程控制中，受控过程从一个平衡状态到另一个平衡状态往往需要一定的时间，这就是说，一般受控参数的变化比较缓慢，时间往往以分钟甚至小时计算。1.3受控对象的动态特性1.3.1基本概念储蓄容量:因为受控对象往往具有很大的储蓄容量，而流入、流出的物质或能量的差额却往往有限。例如，对于某个受控过程的受控参数为温度时，流入、流出的热流量的差额累积起来可以储蓄在受控对象中，这时，受控对象表现为温度升高。此时受控对象的储蓄容量就是它的热容量。热容量大就意味着温度变化过程不可能很快。1.3受控对象的动态特性1.3.1基本概念纯迟延/传输迟延:在过程控制中，受控对象往往表现纯迟延/传输迟延特性。这是指受控过程的受控参数信号在传输过程中表现出的迟延特性。例如，对于容积式热交换器热水出口水温恒定控制过程，温度计应尽可能安装在离换热器出口最近的位置，否则就造成了不必要的纯迟延，它直接会影响到过程控制的快速性和稳定性。1.3受控对象的动态特性1.3.1基本概念1.3.2受控对象的容量特性受控对象的容量:受控对象的容量是指在受控过程中，受控对象容纳流入流出调控物质或能量的能力。1.3受控对象的动态特性1.3.2受控对象的容量特性例如，用同样流量灌注不同大小的水池，若水池容积大，则灌满水池的时间就长；反之，若水池容积小，则灌满水池的时间就短。影响受控对象容量的因素:灌入同样的水量，大水池的容积充满程度变化甚微，对灌水反应迟钝；而小水池容积充满程度变化显著，对灌水反应敏感。因此，其容量与水箱的有效容积有关。1.3受控对象的动态特性1.3.2受控对象的容量特性影响受控对象容量的因素:还可得出这样的结论：在灌注流量相同时，同等有效容积的水箱，其水位变化与横截面积的大小有关。因此，当受控过程的受控参数为水位时，受控对象的容量与截面积大小有关。1.3受控对象的动态特性1.3.2受控对象的容量特性影响受控对象容量的因素:（a）大容积水箱；（b）小容积水箱；（c）大截面积水箱；（d）小截面积水箱1.3受控对象的动态特性1.3.2受控对象的容量特性容量系数:仅用“容量”的概念来表达受控对象的容量特性是不准确的。因为，如果两个水池，尽管其容积相同，但其截面积却可以不同。当灌入的流量完全相等时，截面积小的水箱水位变化快，截面积大的水箱水位变化慢。因此，仅用“容量”的概念并不能确切地表达受控对象容纳调控物质或能量的能力大小。为此，必须引入一个新的概念——容量系数。1.3受控对象的动态特性1.3.2受控对象的容量特性容量系数:仍以图1．10（a）的水箱为例来讨论容量系数的物理意义。当灌入流量（Qa1）与流出流量（Qa2）相等时，水箱的水位（Ha）处于平衡状态；当由于某种干扰使得灌入（Qa1=Qr）、与流出（Qa2=Qc）的流量不相等时，水箱水位就会发生变化（升高或降低），液位的变化率dh／dt与出入水箱流量的差额（Qｒ－Qｃ）成正比。1.3受控对象的动态特性1.3.2受控对象的容量特性Q2从此例中可以初步定性地得出如下结论：受控对象的容量越大，对扰动的反应越慢，受控参数变化也越迟缓，这时相应的控制系统比较容易控制，即对控制器的要求相对简单。反之，受控对象的容量越小，对扰动的反应越灵敏，受控参数的变化越迅速，相应的控制系统就难控制，对控制器的要求越复杂。1.3受控对象的动态特性1.3.2受控对象的容量特性容量系数:容量系数:dtdhCQQcrCdhdVdtQQcr)(dhdVC这里的C值，反映了受控对象的容量特性，因此称之为容量系数。1.3受控对象的动态特性1.3.2受控对象的容量特性容量系数:推而广之，任何受控过程受控参数变化一个单位时，需要流进或流出调控物质或能量的变化量，称为该受控过程的容量系数。1.3受控对象的动态特性1.3.2受控对象的容量特性由于受控对象的各不相同，则受控过程需要流进或流出调控物质或能量的形式也不同，这就导致了不同受控对象的容量系数也有各自不同的含义。有关容量系数的结论:容量系数C值越大，受控对象抗干扰能力越强，等量调控物质或能量对受控过程的影响越小；容量系数C值越小，受控对象抗干扰能力越弱，接受等量调控物质或能量的反应越灵敏。1.3受控对象的动态特性1.3.2受控对象的容量特性1.3.3受控对象的平衡特性一、受控对象的阻力特性一般的受控过程，都存在着对受控对象的控制作用和受控对象对控制的阻力作用两个方面。不同的受控对象的受控过程，在同样的调控物质或调控能量作用下，有些受控过程变化大，而有些受控过程变化则较小。1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性受控过程在同样的调控物质或调控能量作用下变化大的，可以认为该受控过程的调控阻力小；反之，受控过程在同样的调控物质或调控能量作用下变化较小的，可以认为该过程的调控阻力较大。1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性通常情况下，受控对象的调控阻力用阻力系数R表示，阻力系数的大小与输入受控对象的调控物质或调控能量的增量成正比，与受控过程在调控物质或调控能量作用下输出量的变化量成反比。阻力系数R表示为：dQdhR1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性二、受控对象的自衡特性在一些受控过程中，输入受控对象的调控物质或能量的变化将引起受控参数的变化，受控参数的变化又往往反过来作用于受控过程，影响受控过程的输出量并使其发生变化，且该变化有利于受控参数在新的位置上重新稳定。1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性例如，以水箱为例，灌入流量Q1的改变将引起水箱水位H的变化，水箱水位H的变化又将作用于出水流量Q2，使Q2发生改变。出水流量Q2的变化，将减少灌入流量Q1与出流流量Q2的差，有利于水箱水位Ha在新的位置上重新稳定。这种自身能够重新获得新的平衡的受控对象，称为有自衡能力的受控对象。Q21.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性出水阀门开度越大，受控过程阻力越小，较小的水位变化就可使水箱出水流量有较大变化，有利于受控对象的自衡；反之，出水阀门开度越小，受控过程阻力越大，较大的水位变化才能使水箱出水流量有明显变化，不利于受控对象的自衡；出水阀门开度为零，受控过程的阻力为无穷大，此时无论水位如何变化，都无法改变水箱出水流量的大小，受控过程无自衡能力。2SQH1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性在另一些受控过程中，输入受控对象的调控物质或能量的变化也将引起受控参数的变化，但是受控参数的变化却很少或不能影响受控过程输出量的变化。也就是说，受控对象依靠自身能力的变化无法使受控参数在新的数值上重新稳定。1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性图中，水箱出口有恒流泵，则无自衡能力。QI变化，H变化；H变化，QO不变化。水箱无自衡能力。1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性在研究受控对象的动态特性时，一般都假设调控或干扰因素与受控参数的变化同步发生，也就是希望调控或干扰因素发生时，受控参数立即发生变化。受控参数在新的数值上稳定下来所需的时间越短越好，这对提高调节质量有益。三、受控对象的时间特性1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性但是，往往当干扰发生后，由于各种原因受控参数不能立即反应，要经过一段时间的延迟后受控参数才发生变化，这种现象称为受控对象的时间滞后。如图为一单容水箱，在阶跃干扰的作用下，受控对象的过渡过程如曲线所示，其中T为时间常数。1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性如果用时间常数T来衡量受控过程的调控速度，按照其物理定义来理解，则T就表明：在干扰出现的瞬时，水箱水位Ha就有一个初始的变化速度，若水位Ha以此初始速度变化，则达到新的稳态水位所需要的时间t在数值上就等与时间常数T。1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性时间常数T可以表明：在干扰发生后，受控过程的受控参数完成其变化过程所需时间的快慢。T越大，受控过程的受控参数变化越慢，接近最终稳态值的速度越慢；反之，T越小，受控过程的受控参数变化越快，接近最终稳态值的速度越快。受控对象在动态过程中的时间滞后有两方面的原因：一是调控作用点到受控对象的传递距离较远，造成受控对象接受调控作用时间上的滞后，称为传递滞后（纯滞后）；1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性二是由于受控对象具有多个容积，当调控作用产生后，作用结果先对流程靠前的容积起作用，然后再对后续容积起作用，造成受控对象之间转接调控作用而引起的时间上的滞后，称为过渡滞后（或容积滞后）。受控参数的变化值需要经过一次或二次仪表传递或处理信息，信息的传递或处理也有一个时间滞后问题。1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性受控对象的时间滞后（双容）当水箱进水量突然增加时，前一水箱的水位H1与后一水箱的水位H2都要发生变化，经过一段时间后，两水箱水位重新获得稳定。前一水箱水位H1的过渡过程就是单容对象的阶跃响应曲线，后一水箱水位H2的过渡曲线如上图所示，开始斜率越来越大，经拐点P后，斜率变得越来越小。如果经拐点做曲线的切线与时间轴t相交，交点t1与受控参数开始变化的起点t0之间的时间差，就是过渡滞后。1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性在自动控制系统中，滞后的存在对控制是不利的。即：干扰已经发生了，而自动控制系统却不能及时地响应，调节器仍然处于无动于衷的状态或反应极为迟钝，只有经过一段时间后，调节器才能有正常的控制信号输出；或者是调节器已经发出了调控信号，但调节信号却迟迟不能对受控过程产生应有的影响；以上现象的存在，都会使整个自动控制系统的控制质量受到严重地影响。1.3受控对象的动态特性1.3.3受控对象的平衡特性