第一章 调节系统的基本原理与调节对象特性11

把此输出信号引回调节系统输入端的比较元件,这
种方式称为 反馈
反馈
负反馈：反馈信号使被调参数变化减小 正反馈：反馈信号使被调参数变化增大
在自动调节系统中都采用负反馈。 偏差信号为：e=r－z
其中 r——给定值信号； z——负反馈信号。
三、调节系统的基本概念
（一）调节系统分类 反馈调节系统按给定值的变化规律不同， 分为： 定值调节系统 程序控制系统
七、调节过程时间ts
调节系统受到干扰作用，被调参数开始波 动到进入新稳态值上下±5％（或±2％）范围 内所需时间。通常期望ts＝3 Tp。
八、峰值时间tp
过渡过程达到第一峰值所需的时间，即 达到最大偏差值所经历的时间。
第三节 调节对象特性
静态特性 对象特性 动态特性
输入一个单位阶跃干扰，然后分析下列两点： 1、从新稳态数值求取对象的静态特性，如放大系 数。 2、从过渡过程曲线求取对象动态特性参数，如时 间常数T和延迟τ等。
一、冷藏箱空气温度数学模型 （一）冷藏箱内空气温度动态 方程 假定箱内壁与箱内空气温 度相同，均匀分布，可视为集 中参数，箱壁不蓄热。
（一）冷藏箱内空气温度动态方程
冷藏箱空气温度动态方程为：
C d dt k1 A1 k 2 A2 k1 A1 s k 2 A2 2
方程左边为被调参数，是对象的输出信号； 而方程右边两项为输入信号，其中θs箱外温度 为干扰作用参数，k1A1θs为干扰作用项，θ2为 调节作用参数，k2A2θ2为调节作用项。
△Φ1≈6△d1
空调室空气湿度动态方程式的解可写成
Φ1≈6d1
t T 1 e d

思考题
1.某热交换器如右图所 示，用蒸汽将送入的冷 水加热至一定温度，生 产工艺要求热水温度保 持在θ℃，试设计一个 单回路反馈调节系统， 说明系统的自动调节过 程。
2. 下图为液位自动控制系统示意图，在任何情况 下，希望液位保持高度H不变。说明系统的自动调 节过程，指出系统的调节对象、发信器、被调参数 和给定值，并画出系统控制框图。
C dU d mi ci
i 1 n
房间温度的变化速度
d dt
Q C
1
入
－ Q出
对于液位对象， 其容量系数C为
C
dH
dV dH
1

d AH dH
A
1 m入－ m出 ＝ （ m入－ m出 ） dt A C
在干扰作用下，被调系数的变化速度取决于容量 系数C，而不取决于容量。容量系数大的对象具有 具有较大的储蓄（能）能力(惯性) ,受扰动作用 后，被调参数反应比较缓慢。
被调参数在过渡过程中，第一个最大峰值 超出新稳态y(∞)的量。 Mp =ymax-y(∞) 四、静态偏差y(∞) 调节系统受干扰后，达到新平衡时，被调 参数的新稳定值与给定值之差。
五、最大偏差ymax
最大偏差 ymax＝Mp＋y(∞) 对于无静差系统，ymax＝Mp
六、振荡周期Tp
调节系统过渡过程中，相邻两个波峰所经历 的时间.
制冷装置自控的内容 1）制冷剂流量的调节 2）压缩机能量调节 3）热交换器能力调节
第二节 调节过程与质量指标
以空调系统为例，把房间温度因受干扰
而波动、通过调节作用又重新稳定的过程记
录下来，这就是房间温度的过渡过程曲线。
用调节质量指标评价调节性能好坏。最 基本的指标是调节系统的稳定性。
峰值时间
振荡周期
（二）增量方程式
将系统的坐标原点移到新初始点上，用变量的增量来 表示它的动态参数，则增量动态方程的初始条件为零。
（二）增量方程式
增量方程为：
C d dt k1 A1 k 2 A2 k1 A1 s k 2 A2 2
增量方程和原方程的形式完全一样。方程 式中 △θ1、△θ2、△θ3等是各变量对平衡状 态下数值的增量。 （三）无量纲方程 s 2 令 y , f , M
0 s0 20
增量方程可改写成无量纲微分方程：
T
d y dt
y k1 f k 2 M
k1
k1 A1 k 2 A2 0 —— 干扰通道传递系数，无量纲；
k1 A1 20
k2
k1 A1 k 2 A2 0
k 2 A2 20
——调节通道传递系数，无量纲。
单容对象与多容对象反应曲线比较
五、调节对象的延迟
对于调节对象，当调节（或干扰）作用加入 后，被调参数并不能立即随着变化，总要延迟一 段时间，这段时间在调节技术中，统称为“延 迟”。 延迟由两部分组成一部分叫纯延迟τ0（或称 传递延迟）；一部分叫容积延迟τc，总延迟 τ = τ 0+ τ c 。
第四节 调节对象的数学描述
调节对象的一些基本性能参数 一、容量与容量系数 对象贮存能量或工质的能力。 例：某空调室的室内温度为θ，室内所蓄的 热量为对象的容量U，则
U mi ci
i 1
n
m i ——空调室及室内物品设备等各部分的质量；
ci ——空调室壁及室内物品设备等各部分的比热容； θ ——室内温度。
容量系数C表示容量对被调参数的一阶导数。 空调室的容量系数
若把增量符号省略，上式可写成：
T dy dt y k1 f k 2 M
四、调节对象微分方程
1、空调室温度动态特性及其微分方程式 空调器简化图如下图所示。
1、空调室温度动态特性及其微分方程式
为简化问题，假设围壁结构传热并蓄热，忽 略家具蓄热作用。 其动态特性微分方程为：
T1T2 d 2 t dt

自适应控制
（二）干扰作用问题
当干扰作用f(t)= [1] 时，则称为单位阶跃干扰， 其动态方程为：
f(t)=
1 t>t0 0 t<t0
（三）过渡过程
过渡过程：调节系 统在干扰作用下， 被调参数随时间变 化的规律。是系统 从一个稳态过程过 渡到另一个稳态的 过程。
四、制冷装置自控的任务及内容
制冷装置是由封闭的制冷系统和热交换对象组 成的热工装置。 制冷装置自控的任务是在负荷和外部条件变化时 及时通过控制作用保证制冷工艺要求的温控指标， 同时使制冷系统工况始终维持在合理、安全的范 围内。
2、空调室湿度动态特性及其微分方程式
空调室中，送风湿度变化，回风带走的 湿量，人和设备的散湿量均直接影响房间内 湿度变化。
空调室空气湿度动态方程式为：
Td d d1 dt d1 K d d 入 1 nV D入
当扰动为送风湿度变化时，其解为
t Td d1 d 入 1 e 当温度为20℃左右，相对湿度为60％左右 时，含湿量d1 变化与相对湿度变化有下列近似 关系：
t t 1 e T
一般形式为
t y t y 1 e T
H(t)、θ(t)、y(t)—被调参数； t —时间变数；
该指数曲线形状只取决于T值的大小，T等于 对象受阶跃干扰后被调参数到达63.2％新稳定值 所需的时间。 以上两例的动态方程只含一个时间常数，称 单容对象。实际热工对象大多为多容对象，它们 常用单容对象加延迟来近似处理。
二、放大系数（传递系数）
对象的放大系数
K＝
Q入
＝
－ 0
Q入
式中 ——空调房间原稳态温度； ——空调房间新稳态温度； ——被调参数的稳态值变化量； Q入 ——阶跃扰动。
0
三、自平衡的概念
调节对象在没有调节器的作用下，受到干扰后， 自己也能恢复新的平衡，被调参数与流入量和流出量 是相互影响的，称该对象具有自平衡能力。 图1－8a所示为液位对象。 水箱截面积为A，容积为V，被调参数液位H为对 象输出信号。 图1－8b是空调室例子。
自 动 调 节 设 备
例1－1 房间温度调节系统
例1－2 节系统
溴化锂吸收式制冷机产冷量调
二、自动调节系统框图
一般用框图示自动调节系统各组成环节间相互影
响和信号联系.
框:具体作用的环节, 箭头:信号联系及传递方向, 框中文字:注明环节的内容，或用传递函数代替文 字表示环的，自动 调节系统中信号沿箭头方向前进，形成一个闭合回 路，叫做 闭环系统 被调参数是调节系统的输出信号，通过发信器
阀门 水箱 电位计
电动机
第一章 调节系统的基本原理 与调节对象特性
第一节 调节系统的基本概念
现代制冷和空调技术自动化、智能化， 其控制基础是引用经典自动调节理论对各热 工参数实现自动调节，所以自动调节系统的 基本原理是实现制冷装置自动化所必需的基 本知识。
一、自动调节系统及其组成
调节对象
自动调节系统 发信器 调节器 执行器
水箱液位动态方程为： A dt Cv H q入 式中，Cv——B阀的流量系数。 将该非线性微分方程线性化，得
dt 2 H 0 ，为液阻系数； R＝ Cv
T RC
dH
T
dH
H R q入
，为液位对象时间常数。
反应曲线为指数曲线，即
t H t H 1 e T
动态偏差
最大偏差
静态偏差 调节过程时间
一、稳定性和衰减率Ψ
调节系统的稳定程度过渡过程的衰减率Ψ衡量， 即
Ψ＝
M p M p' Mp
1
M p' Mp
M p ——过渡过程的第一个波幅值；
M p ' ——过渡过程的第三个波幅值。
二、衰减比n
n Mp M p'
＝1－
1 n
三、动态偏差（最大超调量）Mp
2
T1T2
d t