机械工程控制基础的作业

1.汽车空调的温度控制与冷库温度控制综合性能分析

评价一个控制系统的好坏，其指标是多种多样的。但对控制系统的基本要求（即控制系统所需的基本性能）一般可归纳为稳定性、快速性和准确性。下面我们就从这三个方面进行汽车空调的温度控制与冷库温度控制综合性能分析。

（1）系统的稳定性

所谓的系统稳定性就是指系统在受到外界扰动作用时，系统的输出将偏离平衡位置，当这个扰动作用去除后，系统恢复到原来的平衡状态或者趋于一个新的平衡的能力。由于汽车长时间行驶，汽车空调的温度控制会受到外界的很多干扰，因此关于汽车空调的温度控制系统的稳定性一定要高。

（2）响应的快速性

响应的快速性指当系统实际输出量与期望的输出量之间产生偏差时，消除这种偏差的快速程度。在这个方面上，汽车空调的温度控制比冷库温度控制的快速性低。

（3）响应的准确性

它是指在调整过程结束后输出量与期望的输出量之间的偏差，也称静态精度或稳态精度，通常以稳态误差来表示，这也是衡量系统工作性能的重要指标。因此，汽车空调的温度控制的准确度不如冷库温度控制。

综上所述，我们不难看出汽车空调的温度控制是开环控制，因此它更加容易控制，不易振荡，控制不精确。冷库温度控制属于闭环控制，拥有反馈。系统对温度的控制要精确很多，且系统更加节能。

2.水轮机调速器数学模型

大型水轮机的调速器主要有机械调速器和电气液压调速器两类。大型汽轮机的调速器主要有液压调速器和功频电液调速器两类，后者主要适用于中间再热式汽轮机。电力系统分析中一般采用简化的调速器数学模型。下面以水轮机的机械调速器为例介绍调速器的原理及传递函数框图，并进而介绍汽轮机的典型调速器数学模型。调速器数学模型要求给出发电机转速和汽轮机汽门开度或水轮机导水叶开度之间的传递函数关系。

水轮机的机械调速器原理见图3-7。调速器调节过程原理简述如下.

设发电机负荷增加，使水轮机转速下降，则测速部件离心飞摆l的A点下降，此时以 B

点为支点，横杆A—C—B的C点下降，从而使错油门(又称配压阀)2的活塞下降(其位移以表示)，压力油经过错油门连接油动机3 (又称接力器)的管道b进入油动机下部，从而使油动机活塞上升(其位移以表示)加大导水叶开度，使水轮机出力提高，和外界负荷平衡，水轮机速度回升。调速器中的缓冲器5是用以改善动态品质的速度软反馈，其对静态特性无影响，而硬反馈机构6其行程和水门开度成比例，它使调节过程结束时错油门活塞恢复原位，并获得所需的静态调差系数(见下文推导)。在此调节过程中调频器4保持不变，即速度给定值不变。通常称上述调频过程为一次调频。其相应的静态特性由图3-8直线AB所示。有了调速器后，大大改善了水轮机负荷变化时的调频能力。调速器中的调频器4用以改变给定速度，从而使功频特性平移，实现二次调频。在图3-7中当调频器出口 D点位置上移时，将

水叶稳态开度增加，从而增加水轮机输出功率，使图3-8中静特性从AB平移到''BA。

下面据图3-7推导水轮机机械调速器的传递函数。

对于离心飞摆，图3-7中A点位移若以其最大位移为基值，则相应标幺值和速度偏

差

之间有近似的线性关系

式中，

为离心飞摆测速部件的放大倍数；

为参考速度。配压阀的标幺行程

是飞摆 A点位移和总反馈量的差，即有

而配压阀的活塞位移造成接力器活塞位移的变化，相当于水门开度的变化，二者之间的关系可用积分环节描写，即

式中，

为接力器时间常数。调速器的总反馈量由软反馈量

及硬反馈量

合成。

其中，软反馈量和接力器的活塞移动的速度有关，可用惯性微分环节来描写关系为

和的

式中，即

为软反馈时间常数；

为软反馈放大倍数。硬反馈和接力器位移成比例，

式中，为硬反馈放大倍数。

根据式(3-11)～式(3-16)，再考虑到配压阀行程和导水叶开度的限制，以及调速器机械部分干摩擦和间隙存在，而有一定的调节失灵区，则水轮机离心飞摆式机械调速器的传递函数框图如图3-9(a)所示。

传递函数框图的另一种形式是将测速放大环节定

移入反馈环节相应的闭环内部，并

义静调差系数所示。

，软反馈系数，则相应的传递函数框图如图3-9(b)

稳态时，从而有

又由水轮机传递函数可知，稳态时

从而可知，

即为图3-8中稳态功频特性的斜率，此即静调差系数

的物理意义，也

反映了硬反馈在一次调频中的作用。

当调频器动作时，变化，由于静调差系数不变，故功率调节特性的斜率不变，

整个特性作平移，实现二次调频(参见图3-8)。

水

轮

机

调

速

器

常

用

文献上建议

的5倍

取为水轮机引水管道水流时间常数

的

参

数

为

左右，并调节，H为机组惯性时间常数。

3.PID在热电偶温度控制中的作用分

当通过热电偶采集的被测温度偏离所希望的给定值时，PID控制可根据测量信号与给定值的偏差进行比例（P）、积分（I）、微分（D）运算，从而输出某个适当的控制信号给执行机构，促使测量值恢复到给定值，达到自动控制的效果。

比例运算是指输出控制量与偏差的比例关系。比例参数P设定值越大，控制的灵敏度越低，设定值越小，控制的灵敏度越高，例如比例参数P设定为4%，表示测量值偏离给定值4%时，输出控制量变化100%。积分运算的目的是消除偏差。只要偏差存在，积分作用将控制量向使偏差消除的方向移动。积分时间是表示积分作用强度的单位。设定的积分时间越短，积分作用越强。例如积分时间设定为240秒时，表示对固定的偏差，积分作用的输出量达到和比例作用相同的输出量需要240秒。比例作用和积分作用是对控制结果的修正动作，响应较慢。微分作用是为了消除其缺点而补充的。微分作用根据偏差产生的速度对输出量进行修正，使控制过程尽快恢复到原来的控制状态，微分时间是表示微分作用强度的单位，仪表设定的微分时间越长，则以微分作用进行的修正越强。

PID模块操作非常简捷只要设定4个参数就可以进行温度精确控制：

1、温度设定 2、2、P值 3、I值 4、D值

PID模块的温度控制精度主要受P、I、D这三个参数影响。其中P代表比例，I代表积分，D代表微分。 比例运算（P）

比例控制是建立与设定值（SV）相关的一种运算，并根据偏差在求得运算值（控制输出量）。如果当前值（PV）小，运算值为100%。如果当前值在比例带内，运算值根据偏差比例求得并逐渐减小直到SV和PV匹配（即，直到偏差为0），此时运算值回复到先前值（前馈运算）。若出现静差（残余偏差），可用减小P方法减小残余偏差。如果P太小，反而会出现振荡。 积分运算（I）

将积分与比例运算相结合，随着调节时间延续可减小静差。积分强度用积分时间表示，积分时间相当于积分运算值到比例运算值在阶跃偏差响应下达到的作用所需要的时间。积分时间越小，积分运算的校正时间越强。但如果积分时间值太小，校正作用太强会出现振荡。 微分运算（D）

比例和积分运算都校正控制结果，所以不可避免地会产生响应延时现象。微分运算可弥补这些缺陷。在一个突发的干扰响应中，微分运算提供了一个很大的运算值，以恢复原始状态。微分运算采用一个正比于偏差变化率（微分系数）的运算值校正控制。微分运算的强度由微分时间表示，微分时间相当于微分运算值达到比例运算值在阶跃偏差响应下达到的作用所需的时间。微分时间值越大，微分运算的校正强度越强。

终上所述，我们将比例值设为11，积分值设为80，微分值设为40，由铂电阻进行温度采样送到PID模块中，经过2-3个动作周期后，温度曲线趋于平稳，温度控制可达到±1℃的标准