热工过程动态特性及求取

不能立即变化，显然被调量水箱水位h的变化也要顺延
一段时间。
传递迟延：被调量的变化时刻落后于扰动发生时刻的 现象称为对象的传递迟延。由于迟延是物质（或能量） 在传输过程中因传输距离的存在而产生，所以又称为传 输迟延或纯迟延。
华北电力大学
North China Electric Power University
描述对象动T态dh特性h 的 K微分 方程（动态方程）
dt 在初始条件h t = t0 = h下0 的= 解0 为：
t
h(t) K(1 e T )
两边分别作拉普拉斯变换：
TsH (s) H (s) K(s)
对象的传递函数为：
H (s) K
(s) 1 Ts
放大倍数
时间常数
华北电力大学
North China Electric Power University
North China Electric Power University
§2.2 影响对象动态特性的结构性质
影响对象动态特性的主要特征参数有容量系数、阻 力和传递延迟，称为大多数对象所共有的结构性质。
一、容量系数
ห้องสมุดไป่ตู้
衡量对象储存物质（或能量）能力的一个特征参数。
图2-1单容水箱示意图
dG = (Q1 - Q2)dt
流出侧阀2的开度不变，
在水位变化范围不大时，
阀2阻力 可近R2似看作常 数，即：
R2
h Q2
h Q2
Q1
Q2
K
h R2
dh A
dt dh
R2 A dt
K
h R2
h R2 K
令 T R2 A, K R2K
华北电力大学
North China Electric Power University
华北电力大学
North China Electric Power University
二、相关概念
1. 对象的动态特性: 就是对象的某一输入量变化时， 其被控参数随时间变化的规律。其取决于工艺设备的 结构、运行条件和内部物理的（或化学的）过程。
2. 理论建模：可以用机理分析的方法导出对象的动态 特性；
Q1 流入水箱的水量
Q2 流出水量
h
水箱的水位
G 水箱内储水量
C 比例系数容量系数
Q1 -
Q2
=
C dh dt
C = dG dh
华北电力大学
North China Electric Power University
二、阻力
电路中电流会受到电阻的阻力，流体在管路中流动 会受到阀门等给予的阻力。就是说，物质（或能量）在 传输过程中总是要遇到或大或小的阻力，因此需给予推 动物质（或能量）流动的压差（如电位差、水位差、温 度差等）。
5. 频域法：用通过实验求得对象的频率特性来研究对象 的动态特性。但对一些惯性大的对象则因试验时间很长 而影响生产的正常进行，因此，这种频域法用的较少。
6. 相关统计法：是在对象的输入端加一伪随机信号，用 相关计算求得对象的脉冲响应函数，这种方法的最大优 点是不影响生产，因而越来越受到人们的重视。
华北电力大学
表现出自平衡能力。
华北电力大学
North China Electric Power University
三、传输迟延
图2-2水箱系统控制流入水量
的阀门1与水箱之间有一段距
离。设某一时刻控制阀门1阶
跃开大，则其流出量随即阶
跃增加，然而因水流过一段
图2-2 有迟延单容水箱示意图
距离需要时间，所以流入水 箱引起水位变化的流入量并
在图2-1所示的水箱系统中，流出侧有阀门2，在阀
门2的开度一定时，流出水量 Q2的大小就取决于水箱水 位的高低，取决于流出侧阀门2的阻力。
阻力表达式为
R = dh dQ
电路中的阻力
R = dU di
电位差 电流
对象的自平衡：不需要外来作用只依靠对象自身来
恢复平衡的现象。显然，对象的阻力使之在动态过程中
3. 实验建模：用实验的方法获取对象的动态特性，是 工程中常用的建模方法，目前有时域法、频域法和相 关统计法等。
4. 时域法：是在对象的输入端加一阶跃扰动，记录响 应曲线，经数据处理求得对象的传递函数，这种方法 的特点是简单适用，因此为工程中所广泛采用。
华北电力大学
North China Electric Power University
一、单容对象的动态特性
控制阀门1阶跃开大
水箱截面积
A dh dt
=
Q1 -
Q2
设时刻 t0前的参数值 Q、10 、Q20 为h0起
图2-3 有自平衡能力单容对象
始零值，
阀1的流量系数
对于流入侧阀1：Q1 Q1 K
图2-4 阶跃响应曲线
飞升曲线
华北电力大学
North China Electric Power University
对具有传输迟延的对象，为分析方便往往将引起迟延的 因素从对象中分离出来，而作为一个独立的环节。
在图2-2所示的系统中，设进入水箱的流量 Q与1 '水位 之间具有的传递函数为 W，'(s与) Q之1 间Q存1 ' 在传输时间 ，
即： t 0
Q（1' s) = e- t 0s Q1(s )
整个水箱系统的传递函数： W (s) = W '(s)e- t 0s
华北电力大学
North China Electric Power University
第二章 热工对象的动态特性及其求取
§2.1 概述
§2.2 影响对象动态特性的结构性质
§2.3 有自平衡能力对象的动态特性
§2.4 无自平衡能力对象的动态特性
§2.5 由阶跃响应曲线求对象传递函数
华北电力大学
North China Electric Power University
§2.1 概 述
一、研究对象的动态特性对实现生产过程的自动化具有 重要的意义
1. 热工对象是热工自动控制系统的重要组成部分， 要设计一个合理的控制系统，必须了解对象的动态特性;
2. 要确定出控制器的最佳整定参数，也必须了解对 象的动态特性。
3. 了解对象的动态特性，还可以对新设计的工艺设 备提出要求，使之满足所需要的动态特性，为设计满意 的控制系统创造先决条件。
在设计主设备及其控制系统时，应尽量避免或 减小对象的传输迟延。
华北电力大学
North China Electric Power University
§2.3 有自平衡能力对象的动态特性
单容对象：对于稍简单的对象则近似看作由一个集 中容积和阻力组成；
多容对象：较复杂的对象则近似看作由多个集中容 积和阻力组成。