3调速与动力系统自动化分析

动力系统控制原理动力系统模型与分析动力系统控制原理•控制系统基本概念•控制系统数学表达的方式•控制系统时频分析•动力系统模型描述控制系统基本概念系统结构和性能指标•开环控制系统–控制系统的输出对系统的控制作用没有影响。•按给定值进行控制•按扰动补偿进行控制•闭环控制系统–控制系统的输出对系统的控制作用有影响，即控制器的输出作用于控制对象，控制对象的输出（系统的输出）将送回到控制器，控制器根据偏差进行控制。因此，又称为反馈控制。•复合控制–在一个控制系统中同时采用开环控制和闭环控制。•开环控制——粗调•闭环控制——细调自动控制系统的基本形式反馈控制系统的组成1.控制对象：被控制的设备或过程（冷却器）。系统的输出就是指被控对象的输出（或称被控量）。2.控制器（或称调节器）：根据偏差按一定规律输出控制量，送至执行机构。它有两个输入，即设定值输入和测量值输入。偏差=设定值－测量值3.执行器（执行机构）：接受控制器送来的控制信号，驱动调节机构，作用于被控对象。4.测量变送器（测量单元）：将被控对象的物理输出量，即被控量转换为标准信号输出（也称测量输出），送到调节器，作为反馈信号。柴油机气缸冷却水温度手动控制过程冷却器三通阀淡水泵主机眼脑手海水入口海水出口柴油机气缸冷却水温度自动控制过程冷却器三通阀淡水泵主机手海水入口海水出口温度变送器调节器执行机构反馈控制系统的结构框图•特点：–信号传递的单向性；–闭合回路（闭环系统）；–负反馈：反馈通道的信号与前向通道的信号相减。反之，则为正反馈。–控制单元根据偏差进行控制，因此又称偏差驱动。•若控制单元、测量单元和执行单元合为一体，则称为基地式控制仪表；若三者分开，则称为组合式控制仪表。自控系统结构框图•e(t)——偏差信号e(t)=r(t)-b(t)•y(t)——被控量•p(t)——控制量•f(t)——扰动量控制单元执行单元控制对象测量单元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)复合控制方框图控制装置执行机构控制对象反馈装置被控量给定信号+-前馈装置扰动补偿外部扰动反馈控制系统的分类•按给定值的形式：定值控制、程序控制、随动控制•按动作方式：连续控制、断续控制•按控制精度：有差调节、无差调节•按变量数：单变量控制、多变量控制•按系统性质：线性控制系统、非线性控制系统•按应用理论：–基于经典理论的控制–基于现代控制理论的控制（最优控制、自适应控制）–智能控制（模糊、神经、专家、自学习控制）自动控制系统的状态•自动控制系统的稳态和动态–稳态——被控量不随时间而变化的平衡状态（静态）–动态——被控量随时间而变化的不平衡状态（瞬态）•自动控制系统的过渡过程：自动控制系统在动态过程中被控量随时间而变化的过程，或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。根据过渡过程的特点，控制系统可分为：1.发散过程2.等幅振荡过程3.衰减过程4.非周期过程稳态（平衡）动态过程扰动变化平衡破坏控制作用克服扰动影响新稳态（平衡）过程曲线基本类型(a)(b)(c)(d)自动控制的性能要求•方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程曲线，分析系统过渡过程的各项性能指标。•采用阶跃输入的原因：–信号的阶跃变化在实际中比较常见（近似阶跃变化）–阶跃信号的数学处理比较简单–阶跃输入对系统的工作最为不利•评定系统过渡过程性能指标的三个方面：–稳定性–准确性–快速性自动控制系统的典型输入信号tr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)01/2Rt010203040506070-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81r(t)t0r(t)01/hhr(t)0r(t)→∞tth→0自动控制的过渡过程性能指标•稳定性：系统受到扰动之后能够恢复到稳定状态的能力。实际控制系统，至少要求是率减过程或非周期过程，以率减为佳。评定指标：衰减率φ，衰减比N–定值控制系统：给定值不变，外部扰动发生阶跃变化；–随动控制系统：假定外部扰动不变，给定值阶跃变化。•准确性：被控量偏离给定值的程度。评定指标：–定值控制系统：最大动态偏差emax；静态偏差Δys–随动控制系统：最大动态偏差emax；超调量δ；静态偏差Δys•快速性评定指标：过渡过程时间ts——从扰动发生到被控量又重新趋于稳定达到新的平衡态所需的时间。•此外还有振荡频率、振荡次数等。自动控制的性能指标要求•定值控制：–动态偏差和静态偏差要小；–衰减率最好在0.75~0.9之间；–过渡过程时间要短•随动控制：–超调量要小；–过渡过程时间要短；–振荡次数要少自动控制系统过渡过程曲线yt平衡状态过渡过程平衡状态自动控制系统过渡过程曲线•根据衰减率φ的大小可以判定过渡过程的性质：–φ0，为发散振荡过程–φ=0，为等幅振荡过程–0φ1，为率减振荡过程–φ=1，为非周期过程•最佳衰减率：φ=0.75~0.9Δysytt∞t0y∞y1y2y3y0emax发动机-调速器模型动力系统特性分析调速器工作原理调速过程柴油机动态性能指标1.稳定调速率2.瞬时调速率3.不灵敏度4.转速波动率bnnn132bnnn121nnn'1'2mmnnnmax机械式调速器结构机械式调速器静力分析作为自控系统的柴油机•柴油机动态方程•调速器动态方程•柴油机系统稳定性•柴油机系统动态特性•柴油机系统的分析假设前提传统分析方法（小扰动分析）•根据达朗贝尔原理，柴油机的惯性力矩与所有作用于刚体的力矩的合力矩相等，即：••写成增量式：•dcdwJMMdtdcdwJMMdt•输出扭矩是喷油量和曲轴角速度的函数，而喷油量与喷油泵齿条位置有关，故输出扭矩是齿条位置和曲轴角速度的函数，即：•将其泰勒展开，并线性化，得到：(,)dmMfXwdddmmMMMwXwX•一般情况下，阻力矩可以写成角速度和其负载特性的函数，类似地，也可展开成：•cccMMMwLwL•根据小扰动线性化：•结合前面推导可得：•令：•公式变化为：()cddcmmMMMMdwJwXLdtwwXLdcdwJMMdtcdaMMFwwdcammMMdwJFwXLdtXL•根据前面的推导：•与额定工况进行比较，令：•得到：•针对额定工况，统一除以额定扭矩dcammMMdwJFwXLdtXLewwmmeXXeLLdceaemeemMMdJwFwXLdtXLeaedmecededemdedeJwFwMXMLdMdtMXMLM•根据•设定参数：1.柴油机加速时间常数，指空载条件下，喷油泵齿条在额定供油量位置，柴油机从速度为零到达额定转速需要的时间。2.柴油机自稳定系数，指没有调速器时，柴油机自动维持转速稳定的能力。3.发动机特性系数，表示发动机喷油泵齿杆单位行程引起的输出转矩变化大小。4.阻力矩系数，表示发动机阻力矩变化的大小•得到公式：eaedmecededemdedeJwFwMXMLdMdtMXMLMeadeJwTMaegdeFwTMdmemdeMXkXMceldeMLkLMagldTTkkdt•对于公式：•简化处理认为，是柴油机负载变化量相对于标定工况即额定工况下负载的比值，其值范围为0~1。•将式进行拉氏变换，得到：1,1lkk))()()agTssTsssagldTTkkdt•至此，我们可以得到柴油机转速与齿条位移及负载变化率（可以视为扰动）的关系。••柴油机是周期性工作的，从喷油泵齿条位移改变到柴油机发出相应地扭矩必然有延迟时间。因此，还需在上式加入一个延时环节，假定为纯滞后环节；此外，柴油机的输出转速与喷油泵齿条位移之间应有一个放大环节，设放大倍数为K，则上式变为：1)[()()]agsssTsT)[()()]sagKesssTsT公式中几个参数的确定•延迟时间τ：–喷油开始于发火上止点之前，而柴油机在发火上止点之后开始做功，最大扭矩发生在上止点之后约90°曲轴转角处，这会造成时间滞后;此外，当齿条位移变化时，若某缸恰好喷油完毕，则此时其工作扭矩与齿条位移无关，这段延迟时间取决于柴油机的转速、气缸数以及冲程数。可用下式估算：•自平衡系数Tg：–理想化地，使柴油机自平衡系数为1•加速时间常数Ta:–由下式计算：151560nnqneadewTJM柴油机大范围变动下的动态分析•根据达兰贝尔原理：lMMdtdJ柴油机扭矩的速度特性•扭矩与速度的关系比较复杂，为简单起见，近似为线性qanaM21柴油机动态方程•动态方程为：•传递函数为：asJbsH)(lMqbnadtdnJ柴油机动态特性引入控制器后的柴油机特性负载的动力特性•船用负载•车用机负载•发电机负载2nkM2nkMnkM带负载的柴油机动态特性•柴油机自身是一个稳定性较弱或不稳的的系统，但是带负载的柴油机系统由于引入了负载的动力特性，使得整体的动态稳定特性有较大改善。调速器设计•以柴油机的传递函数为目标采用经典控制方法设计控制器方程•设计机械式结构满足控制器方程要求机械式调速系统•机械式调速器方程：•油泵特性：2022)(AxxFdtdxcdtxdmp2xAKFpezdncznbnaq2机械调速柴油机调速过程调速设计的假设及误差•柴油机动力特性的线性假设•调速器特性的线性假设•油泵特性的线性假设柴油机线性假设的误差柴油机系统的动态特性•从试验结果可以看到，柴油机的机械式调速存在着超调量较大、静态误差明显的特点。并且，这种特点在不同调速工况的表现程度也不同。动态特征分析•柴油机的动力特性是非线性的，在设计、分析简化时采用了简单线性化的方法，造成了一定误差，并且这种误差在柴油机传递函数上影响较大。•飞锤式机械调速器的稳定性系数Fp是一个变量，随着转速和负荷会发生一定变化，因此，严格意义上机械式调速器也是一个非线性系统。•机械式调速器是一个不包含0极点的二阶系统，所以整个发动机系统是一个0型控制系统（即使设计为1型控制系统，在偏离设计点时，由于非线性因素影响，仍会变成0型系统），在调速过程中不可避免地存在着稳态误差改善调速特性的方法•液压调速器•电子调速器•电子控制喷油•共轨式电控喷油谢谢各位2016