02.恒温水箱的通断控制

1目录第1章绪论恒温水箱通断控制实验第2章恒温水箱通断控制第1次讨论课：恒温水箱通断控制第3章整体式恒温恒湿机组的控制第2次讨论课：整体式恒温恒湿机组的控制第4章散热器实验台的控制1、2第3次讨论课：散热器实验台的控制第5章空调系统的控制调节1、2第4次讨论课：空调系统的控制调节第6章冷热源与水系统的控制1、2第7章通信网络技术第8章建筑自动化系统第5次讨论课：动手操作第2章恒温水箱的通断控制3主要内容1.恒温水箱通断控制器的构成被控对象、传感器、控制器、执行器控制功能的实现方法2.通断控制下恒温水箱的调节特性3.恒温水箱的实际控制过程4.拉氏变换分析方法5.第1次大作业：恒温水箱通断控制41.恒温水箱通断控制器的构成被控对象（controlplant）：指被控设备或过程。51.恒温水箱通断控制器的构成传感器（sensor）：测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号金属电阻温度传感器:铂、铜、镍•Pt10,Pt100,Pt1000,Cu50,Cu100•线性度好，稳定性好，测量精度高•分辨率不高（0.4%/℃）61.恒温水箱通断控制器的构成传感器（sensor）：测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号热敏电阻：半导体材料•PTC(正温度系数):BaTiO3（钛酸钡）或SrTiO3或PbTiO3，加热元件•NTC(负温度系数):锰、钴、镍和铜等金属氧化物，用作温度传感器•非线性Rt/R0=expB(1/T-1/273.15)•互换性差，易老化，温度范围-10~150℃•分辨率高、灵敏度高-（1~8%/℃）、响应速度快71.恒温水箱通断控制器的构成控制器（controller）：接受传感器发出的被控对象的状态信息，经过处理，输出控制命令PLC(ProgrammableLogicController)DDC(DirectDigitalController)PLC:fromlefttoright;powersupply,controller,relayunitsforin-andoutputDDC81.恒温水箱通断控制器的构成执行器（actuator）：驱动机械或系统实现对控制对象进行调节的装置。继电器加热器91.恒温水箱控制功能的实现方式①水银触点温度计控制②双金属片温度控制器101.恒温水箱控制功能的实现方式③电子电路控制加热器开状态加热器关状态Rt_setRt_offRt_on热敏电阻阻值111.恒温水箱控制功能的实现方式④基于计算机的控制计算机(控制器)温度变送器读取AD值计算温度值tttset+Δt是关闭继电器，电加热器停止加热否ttset-Δt是打开继电器，电加热器开始加热否获取设定和回差122.通断控制下恒温水箱的调节特性基本概念回差（滞后误差Hysteresiserror）：在全范围内，同一输入所对应的上、下行输出之间的差值。通断控制回差：启动或停止调节装置时的被控参数与设定值之间的差值。132.通断控制下恒温水箱的调节特性基本概念超调（Overshoot）:Incontroltheory,overshootreferstoanoutputexceedingitsfinal,steady-statevalue.静态误差（静差，稳态误差，steady-stateerror）：静态下输出量的期望值与输出量的实际值之间的差。max()()yyy142.通断控制下恒温水箱的调节特性基本概念设定值回差回差超调稳态值静差152.通断控制下恒温水箱的调节特性水温的变化范围是多少？水温波动的周期是多少？水温达到稳定状态时平均水温等于设定温度？162.通断控制下恒温水箱的数学模型加热量加热器开状态加热器关状态t_sett_offt_on温度值加热量0Q00()()0onoffonoffQttQQttttt172.通断控制下恒温水箱的数学模型水箱的简化模型忽略传感器、加热器的惯性水箱内的水温均匀一致0()dtcQUttd000()()000()(())UUccQtttteedc通解:00()()0000()(())(1)UUccQtttteeU加热器全开时：0()000()(())Uctttte加热器全关时：182.通断控制下恒温水箱的数学模型讨论：通断周期回差为∆tc时:0set02QttUr0set0set)ln(ccdttttttUc)1212ln(00cctUQtUQUc时:00QttU，最大可能温升0QU时间常数：c/U通断周期由Q0/U∆tc决定192.通断控制下恒温水箱的数学模型讨论：平均水温tm0000001(()(()(1)))22drUUUcccmccdrQQQtttedteedUUU达到稳定状态的平均水温为设定温度：无静差000set00122mQQttdttUU202.通断控制下恒温水箱的数学模型讨论：时:00set02QQttUU0000122ln()ln()122rttcccttcccQQtUttccUQQUUtUUtt升温时间:升温时间降温时间0set00set012ln()ln()12tccctcccdQtttUttccQUtttUUtt降温时间:0set02tQttU02tcQtUrctUQtt,/00set时:212.通断控制下恒温水箱的数学模型讨论：时:0set002QttU0000122ln()ln()122rttcccttcccQQtUttccUQQUUtUUtt升温时间:0set00set012ln()ln()12tccctcccdQtttUttccQUtttUUtt降温时间:0set0()2tQttU升温时间降温时间02tcQtUdcttt,0set时:222.通断控制下恒温水箱的调节特性总结00QtttU0set02QttU时，通断周期最短可实现的温度范围：通断周期与c/U成正比，与Q0/U∆tc有关，Q0/U∆tc越大，周期越短通断周期范围：PtUQtUQUccc)1212ln(200000set00set0orccQQttttUUtttt时，通断周期最长t0t0+Q0/2Ut0+Q0/U通断周期233.恒温水箱的实际控制温度传感器惯性的影响传感器感知的温度是水温历史变化以为权的积分反映当前时刻以前3~5个时间常数内的温度变化Ts/T很小时，可以忽略传感器惯性的影响传感器的惯性使得加热时上超调，降温时下超调传感器的惯性可通过修正回差来补偿()ssssdtcUttd()sTe()()()ssssUTcTsssUttedtedcssscTU：传感器的时间常数Ts2Ts3Ts4Ts5Tst(OC)(s)13.恒温水箱的实际控制执行器惯性的影响继电器开/关的延迟电加热器的惯性传感器、执行器惯性近似为纯延时作用实际回差：0()（）aQCQ()hhhwhdtcUttQd'+++ccsahttttt加热器开状态加热器关状态t_sett_offt_on温度值加热量0Q03.恒温水箱的实际控制水箱温度的不均匀性的影响纵向的温度分布横向的温度分布传感器位置的设置方法4.拉普拉斯变换的分析方法拉普拉斯变换的定义拉普拉斯反变换0edstFsLftfttjsS是复数，（σ、ω均实数）jj1de)(πj21)(ccstssFsFLtf4.拉普拉斯变换的分析方法常用函数的拉普拉斯变换单位阶跃函数)0(1)0(0)(1ttt4.拉普拉斯变换的分析方法常用函数的拉普拉斯变换指数函数4.拉普拉斯变换的分析方法常用函数的拉普拉斯变换正弦、余弦函数22j1j1j21sss4.拉普拉斯变换的分析方法拉普拉斯变换的主要定理叠加定理（1）齐次性设，则（2）叠加性设，，则4.拉普拉斯变换的分析方法拉普拉斯变换的主要定理微分定理设，则式中f(0)为函数f(t)在t=0时刻的值，即初始值。各阶微分的拉氏变换：4.拉普拉斯变换的分析方法拉普拉斯变换的主要定理积分定理设，则式中f(-1)(0)为函数∫f(t)dt在t=0时刻的值。多重积分的拉氏变换：4.拉普拉斯变换的分析方法拉普拉斯变换的主要定理初值定理原函数的初值等于s乘以象函数的终值。终值定理原函数的终值等于s乘以象函数的初值。4.拉普拉斯变换的分析方法恒温水箱的拉氏变换分析恒温水箱的状态方程0()()hwhdtcUttUttd00()()(()())(())hwhsctsctUtstsUtts00()()()()hwhhwhwhwhwUcUcststststtUUUUUUUU001()()()1hwhhwhwhwUUctststtTsUUUUUU4.拉普拉斯变换的分析方法恒温水箱的拉氏变换分析恒温水箱的状态方程0()()(()())hhhhhwhsctsctUtstsQ0()()()()hhhhhhwhwhwcctQstststsUUU01()()()1hhhhhwhwcQtststTsUU()hhhwhdtcUttQd4.拉普拉斯变换的分析方法恒温水箱的拉氏变换分析恒温水箱的状态方程0()()(()())sssssssctsctUtsts0()()()()ssssssscctstststsUU01()()()1sssssctststTsU()ssssdtcUttd4.拉普拉斯变换的分析方法恒温水箱的拉氏变换分析传递函数（transferfunction）：零初始条件下线性系统响应（即输出）量的拉普拉斯变换（或z变换）与激励（即输入）量的拉普拉斯变换之比。记作G（s）=Y（s）/U（s），其中Y（s）、U（s)分别为输出量和输入量的拉普拉斯变换。01()()()1hhhhhwhwcQtststTsUU01()()()1sssssctststTsU001()()()1hwhhwhwhwUUctststtTsUUUUUU4.拉普拉斯变换的分析方法恒温水箱的拉氏变换分析基于传递函数的计算框图01()()()1sssssctststTsU11sThwhUUUwhU111TswhhUUUt0Qt0()()0onoffonoffQttQQttttt0()()0setsccsetscsetscQtttQQttttttt4.拉普拉斯变换的分析方法恒温水箱的拉氏变换分析恒温水箱的传递函数框图5.第1次大作业：恒温水箱通断控制实验结果分析搭建Simulink模型，模拟水箱控制过程建立分层水箱模型，模拟分析传感器、加热器位置的影响大作业报告≤30页，3月17日17:00前交