3.8系统误差分析与计算
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机械工程控制基础31_系统误差分析与计算系统误差是机械系统中不可避免的误差,它是由于各种因素引起的系统输出和期望输出之间的差异。
在机械工程中,系统误差是需要考虑和分析的一个重要问题,因为它会对系统的性能和精度产生影响。
系统误差可分为常数误差、线性误差和非线性误差。
常数误差是指系统输出与期望输出之间存在常数差异,如偏差或偏移。
线性误差是指系统输出与期望输出之间存在直线关系的差异,如增益失真或放大失真。
非线性误差是指系统输出与期望输出之间存在非线性关系的差异,如非线性失真或非线性曲线偏差。
理想模型是指系统输出与期望输出完全一致的模型,没有任何误差。
但在实际应用中,理想模型很难实现,因为存在各种误差源。
因此,需要通过准确的数学模型来描述系统误差。
线性模型是指系统误差与输入信号之间存在线性关系的模型。
线性模型可以通过线性回归等方法来计算和分析。
线性模型可以用来描述系统的增益特性、失真特性等。
线性模型通常可以通过标定和校准来修正和补偿。
非线性模型是指系统误差与输入信号之间存在非线性关系的模型。
非线性模型通常比线性模型更复杂,需要采用更高级的数学方法来描述和计算。
非线性模型可以用来描述系统的曲线特性、震荡特性等。
非线性模型通常可以通过拟合和优化来修正和补偿。
系统误差分析和计算需要进行实际测试和实验来获取系统的输入输出数据,并基于这些数据进行模型的建立和计算。
在实际应用中,还需要考虑系统的稳定性、可靠性和实时性等因素。
因此,系统误差分析和计算是一项复杂而重要的工作。
总之,系统误差分析和计算是机械工程控制基础中的一个重要内容。
它涉及到系统的性能和精度问题,在实际工程设计和应用中具有重要的意义。
系统误差的分析和计算需要考虑多种因素,包括常数误差、线性误差和非线性误差,并采取相应的措施来减少误差。
系统误差分析和计算需要进行实际测试和实验,并基于实验数据建立数学模型来描述系统误差。
目录一、设计任务 (1)二、课程设计要求 (2)三、计算过程 (2)四、程序设计框图 (8)五、代码说明书 (9)六、热工设计准则和出错矫正 (10)七、重要的核心程序代码 (11)八、计算结果及分析 (17)一、设计任务某压水反应堆的冷却剂及慢化剂都是水,用二氧化铀作燃料,用Zr-4作包壳材料。
燃料组件无盒壁,燃料元件为棒状,正方形排列。
已知下列参数:系统压力 15.8MPa堆芯输出功率 1820MW冷却剂总流量 32100t/h反应堆进口温度287℃堆芯高度 3.66m燃料组件数 121燃料组件形式17×17每个组件燃料棒数 265燃料包壳直径 9.5mm燃料包壳内径 8.36mm燃料包壳厚度 0.57mm燃料芯块直径 8.19mm燃料棒间距(栅距) 12.6mm芯块密度 95%理论密度旁流系数 5%燃料元件发热占总发热的份额 97.4%径向核热管因子 1.35轴向核热管因子 1.528局部峰核热管因子 1.11交混因子 0.95热流量工程热点因子 1.03焓升工程热管因子 1.085堆芯入口局部阻力系数 0.75堆芯出口局部阻力系数 1.0堆芯定位隔架局部阻力系数 1.05若将堆芯自上而下划分为5个控制体,则其轴向归一化功率分布如下表:堆芯轴向归一化功率分布(轴向等分5个控制体)通过计算,得出1. 堆芯出口温度;2. 燃料棒表面平均热流及最大热流密度,平均线功率,最大线功率;3. 热管的焓,包壳表面温度,芯块中心温度随轴向的分布;4. 包壳表面最高温度,芯块中心最高温度;5. DNBR在轴向上的变化;6. 计算堆芯压降;二、课程设计要求1.设计时间为两周;2.独立编制程序计算;3.迭代误差为0.1%;4.计算机绘图;5.设计报告写作认真,条理清楚,页面整洁;6.设计报告中要附源程序。
三、计算过程目前,压水核反应堆的稳态热工设计准则有:(1)燃料元件芯块内最高温度应低于其相应燃耗下的熔化温度。
高中电学实验的系统误差分析和电路的选择广西百色高级中学李玉瑞邮编 533000任何实验都存在误差;偶然误差可以通过多次测量取平均值的方法来减少误差,而系统误差是由于实验原理和电路结构的原因而产生的误差,它的数值总是向某一个方向偏离真实值,只能通过改进实验原理和电路结构来减小误差;一、伏安法测电阻1.测量电路电流表内外接法引起的误差测量未知电阻的原理是R=U/I,由于测量所需的电表实际上是非理想的,所以在测量未知电阻两端电压U和通过的电流I时,必然存在误差,即系统误差;①若选择电流表的内接法,如上图中的a所示.由于该电路中,电压表的读数U表示被测电阻Rx与电流表A串联后的总电压,电流表的读数I表示通过本身和Rx的电流,所以使用该电路所测电阻R测=U/I=Rx+R A,比真实值Rx大了R A,相对误差μ=|R测-Rx|/ Rx=R A/Rx②若选择电流表外接法.如上图b所示.由于该电路中电压表的读数U表示Rx两端电压,电流表的读数I表示通过Rx与R V并联电路的总电流,所以使用该电流所测电阻R测=U/I=R V Rx/R V +Rx,比真实值Rx略小些,相对误差μ=|R测-Rx|/ Rx= R V /R V+Rx小结:在伏安法测电阻的实验中,要有效地减少由于电表测量所引起的系统误差,必须依照以下原则:若Rx>>R A,或Rx/R A>R V/Rx,应选用内接法;若R V>>Rx,或Rx/R A<R V/Rx,应选用外接法;2.控制电路元件的选择①分压电路电路如右图所示;我们先来研究用电器R1两端电压U1和Rx的关系:设电源内阻不计R并= R1Rx/R1+RxR总= R并+ R-RxU1=E R并/ R总=E R1Rx/R R1+ R Rx- Rx2U1和Rx为非线性函数关系;我们取一些特殊的数据列表并作图如下:小结:使用分压器可以控制用电器两端的电压在零到电源电压之间连续变化;为了便于调节,滑动变阻器的阻值应小于用电器的阻值,或与用电器的阻值相差不多;②限流电路电路如右图所示;我们先来研究用电器R1两端电压U1和ap间的电阻Rx的关系:设电源内阻不计R总= R1+RxU1=E R1/ R总=E R1 /R1+RxU1和Rx为非线性函数关系;我们取一些特殊的数据列表并作图如下:小结:使用限流器可以控制用电器两端的电压在E R1 /R1+R ~E之间连续变化;若滑动变阻器的阻值比用电器的阻值大得多,用电器两端的电压变化大,但是不便于调节,如图线a;若滑动变阻器的阻值比用电器的阻值小得多,虽然便于调节用电器两端的电压,但是电压变化范围较小,如图线c;若滑动变阻器的阻值和用电器的阻值差不多,用电器两端的电压变化范围大约在电源电压的一半到电源电压之间,也比较便于调节, 如图线b;二、半偏法测电表内阻1、半偏法测定电流表的内阻①电路如右图所示;实验步骤如下:A.将R1的阻值调至最大.B. 合上S1.C. 调节R1的阻值,使电流表指针偏转到满刻度.D. 保持R1的阻值不变,再合上S2.E.调节R2的阻值,使电流表指针偏转到满刻度的一半.F.记下R2的阻值R.则被测电流表的内阻R A的测量值即为R.②误差分析当电流表指针偏转到满刻度时,有:E=IgR A+r+ R1电流表指针偏转到满刻度的一半时,有:E=Ig R A/2+Ig R A/2 R2+ Ig/2r+ R1当所用的电源内阻r较小时,由上两式得:R2= R A R1/ R A + R1显然,R2< R A ,即R A的测量值小于真实值,相对误差为:μ= R A- R2/ R A×100%= R A/ R A + R1×100%从上式可知,R1越大,相对误差越小;所以变阻器R1的最大值R0应选择尽可能大;③实验条件为了使实验误差较小,必须使R1>> R A,通常取R1≈100R A ,这时相对误差小于1% ,为使电流表指针能达到满偏,必须使Ig≈E/ R1 ,因R1<R0 ,所以本实验应满足的条件是:R0≥100 R A , R0>E/Ig ;2、半偏法测定电压表的内阻①电路如右图所示;实验步骤如下:A.将R0的滑片移到最左端.B. 合上S1和S2.C. 调节R0的阻值,使电压表指针偏转到满刻度.D. 保持R0的滑片不动,断开S2.E.调节R的阻值,使电压表指针偏转到满刻度的一半.F.记下R的阻值.则被测电压表的内阻R V的测量值即为R.②误差分析不计电源内阻r,当电压表指针偏转到满刻度时,有:E=I g R V+ R2 I g+ I g R V /R1电压表指针偏转到满刻度的一半时,有:E=I g R V+R/2+ R2 I g/2+I g R V+R/2R1由上两式得:R= R V + R2R1/ R2+ R1显然,R>R V ,即R V的测量值大于真实值,相对误差为:μ= R- R V/ R V×100%= R2R1/ R V R2+ R1×100%= R2R1/ R V R0×100%从上式可知,R2+ R1=R0=定值,当R2= R1,即滑片在正中位置时相对误差最大.则μ≤R0/4R V×100%③实验条件为了使实验误差较小,必须使R0<< R V,通常取R0≈R V/20 ,这时相对误差约1% ,为使电压表指针能达到满偏,必须使I g R V<E ,即U g<E,所以本实验应满足的条件是:R0≈R V/20 ,U g<E ;三.测定电池的电动势和内电阻用电流表和电压表测电源的电动势和内电阻时,电流表外接和内接两种情况下电动势的测量值与真实值、电源内阻的测量值与真实值间的关系如何若不考虑电表的内阻,则这两种电路是完全一样的;根据闭合电路欧姆定律E=U+Ir,两次测量的方程为:E测=U1+I1r测E测=U2+I2r测解得:E测= I2U1-I1U2/I2–I1 , r测=U1-U2/I2–I1若考虑电流表和电压表的内阻,对图甲所示电路应用闭合电路欧姆定律有:E=U1+I1+U1/R V rE=U2+I2+U2/R V r,解得:E=I2U1-I1U2/I2–I1-U1-U2/R V ,r=U1-U2/I2–I1-U1-U2/R V,比较得:E测>E , r测>r.这时E和r是电池的电动势和内阻的真实值.电动势相对误差:同理,内电阻的相对误差:μr=|r-r测|/r=r/R V+r若采用图乙所示的电路,同样考虑电流表和电压表的内阻,应用闭合电路欧姆定律有:E=U1+I1r+R AE=U2+I2r+R A式中,E和r为电动势和内阻的真实值;解得:E=I2U1-I1U2/I2–I1 , r=U1-U2/I2–I1-R A比较得:E测= E , r测>r用同样的分析方法,可得μE=0, μr=R A/r如果我们运用等效电源方法来讨论的话,问题就更简明了;如右图所示的甲电路中,这里安培表的示数即是流过虚线框内等效新电源的电流;乙电路中伏特表的示数即是虚线框内等效新电源的端电压;对于甲电路图等效电源,电动势E测= R V E/R V+r 内阻r测=R V r/R V+r对于乙电路图等效电源,电动势E测=E , 内阻r测=r+R A.容易看出这里新电源的电动势E测和内阻r测,即为前面不考虑电表影响时利用图甲、乙电路得到的测量值E测和内阻r测.小结:在实际测量电路接线时,一般总采用甲电路,因为伏特表内阻R V总是远大于电源内阻r,电动势和内阻的相对误差μ极小;而采用乙电路,虽然电动势无误差,但内阻的误差太大;四.用欧姆表测电阻的误差图示为简单欧姆表原理示意图,其中电流表的满偏电流I g =300 A,内阻R V=100 ,可变电阻R的最大阻值为10 k ,电池的电动势E=1.5 V,内阻r=0.5 ,图中与接线柱A相连的表笔颜色应是色,使用正确方法测量电阻R x的阻值时,指针指在刻度盘的正中央,则R x= k .若该欧姆表使用一段时间内,电池电动势变小,内阻变大,但此表仍可调零.按正确使用方法再测上述R z,其测量结果与预期结果相比较填“变大”、“变小”或“不变”;解析:本题考查欧姆表的结构、测量原理和相关计算,还涉及测量误差的分析;欧姆表是电流表改装的,必须满足电流的方向“+”进“-”出,即回路中电流从标有“+”标志的红表笔进去,所以与A相连的表笔颜色是红色;当两表笔短接即R x=0时,电流表应调至满偏电流I g,设此时欧姆表的内阻为R内,此时有关系I g=E/ R内得 R内=E/I g=5KΩ;当指针指在刻度盘中央时,I=I g/2,有I g/2= E/R内+R x,代入数据得 R x =R内=5KΩ;当电池电动势变小、内阻变大时,欧姆表得重新调零,由于满偏电流I g不变,由公式I g=E/R内 ,欧姆表内阻 R内得调小,待测电阻的测量值是通过电流表的示数体现出来的,由I= E/R内+R x= I g R内/R内+R x= I g/1+R x/ R内 ,可知当R内变小时,I变小,指针跟原来的位置相比偏左了,欧姆表的示数变大了;答:红,5,变大;。
MSA测量系统分析控制程序文件编号:版本号:AO发布日期:2023-03-11审批:编制:1.目的对测量系统变差进行分析评估,以确定测量系统是否满足规定要求,确保测量系统满足测量要求,确保产品质量。
2.范围本程序适用于本公司所要求的或顾客要求的所有测量设备的测量系统分析。
3.定义3.1MSA:指MeaSUrementSystemsAna1ySiS(测量系统分析)的英文简称。
3.2测量系统:指用来对被测特性赋值的操作、程序、量具、设备、软件以及操作人员的集合;用来获得测量结果的整个过程。
3.3偏倚(准确度):指测量结果的观测平均值与基准值的差值。
一个基准值可通过采用更高级别的测量设备(如:计量实验室或全尺寸检验设备)进行多次测量,取其平均值来确定。
3.4重复性:指由一个评价人,采用一种测量仪器,多次测量同一零件的同一特性时获得的测量值变差。
3.5再现性:指由不同的评价人,采用相同的测量仪器,测量同一零件的同一特性时测量平均值的变差。
3.6稳定性:指测量系统在某持续时间内测量同一基准或零件的单一性时获得的测量值总变差。
3.7线性:指在量具预期的工作范围内,偏倚值的差值。
3.8盲测:指测量系统分析人员将评价的5—10个零件予以编号,然后要求评价人A用测量仪器将这些已编号的5—10个零件第一次进行依此测量(注意:每个零件的编号不能让评价人知道和看到),同时测量系统分析人员将评价人A第一次所测量的数据和结果记录于相关测量系统分析表中,当评价人A第一次将5—10个零件均测量完后,由测量系统分析人员将评价人A已测量完的5-10个零件重新混合然后要求评价人A用第一次测量过的测量仪器对这些已编号的5-10个零件第二次进行依此测量,同时测量系统分析人员将评价人A第二次所测量的数据和结果记录于相关测量系统分析表中,第三次盲测以此类推。
3.9AN0VA:方差分析法3.10计量型数据:定量的数据,可用测量值来分析。
3.11计数型数据:可以用来记录和分析的定性数据。
第三章 系统的时间响应分析 3.8系统的误差分析与计算对于任何一个稳定的控制系统,输出响应含有瞬态分量和稳态分量。
系统的稳态分量反映系统跟踪控制信号的准确度或抑制扰动信号的能力,用稳态误差来描述。
在系统的分析、设计中,稳态误差是一项重要的性能指标,它与系统本身的结构、参数及外作用的形成有关,也与元件的不灵敏、零点漂移、老化及各种传动机械的间隙、摩擦等因素有关。
本节只讨论由于系统结构、参数及外作用等因素所引起的稳态误差的计算方法。
本节内容分五点进行讲解:一、系统的误差e(t)及偏差)(t ε 二、系统的稳态误差与稳态偏差 三、与输入有关的稳态偏差 四、系统结构对稳态偏差的影响 五、与干扰有关的稳态偏差 一、系统的误差e(t)及偏差)(t ε1、定义系统的误差e(t) (输出端定义):设()or x t 是控制系统的希望输出,()o x t 是其实际输出,则误差()e t 定义为: 值希望输出值-实际输出=-=)()()(t x t x t e o or Laplace 变换记为)(1s E ,为避免与系统的偏差()E s 混淆,用下标1区别。
)()()(1s X s X s E o or -=系统的误差是从系统输出端来定义的,它在性能指标提法中经常使用,但在实际系统中有时无法测量,因而,一般只有数学意义。
系统的偏差()t ε(输入端定义):为输入信号与反馈信号的差值 ()()()i t x t b t ε=-,它在系统中是可以测量的,因而具有实用性。
系统偏差的Laplace 变换记为()E s ,()()()()()()i i o E s X s B s X s H s X s =-=- 2、误差与偏差)(t ε的关系输出为希望值时,即)()(s X s X or o =,不起调节作用)(=应该有)(0)(s E s E0)()()()()()()(===s H s X s X s H s X s X s E or i o i --)()()()()()(s H s X s X s H s X s X i or or i =⇒=从而有, 输出偏离希望值时(一般情况))()()()]()()([)()()]()([)()()()()()()()(1111s H s E s H s E s H s X s X s H s E s X s X s X s X s E s H s X s X s E i i or i o or o i =-=--=--=】=【-推出11()()()E s E s H s =⋅ 显然,控制系统的误差和偏差的定义是既有区别,又有联系。
求出偏差后就可求出误差。
系统的偏差与系统的误差在一般的情况下不相等。
只有当系统是单位反馈系统时,系统的偏差与误差才会相等。
二、系统的稳态误差与稳态偏差稳态误差作为系统的稳态指标是衡量系统控制精度的。
应当强调的是, 只有对稳定的系统,我们才可以分析它的稳态误差。
系统过渡过程结束后,系统实际输出量与系统希望的输出量之间的偏差称为稳态误差。
它是系统稳态性能的测度,反映了系统响应的准确性。
()lim ()ss t e t e t →∞=根据终值定理,系统的稳态误差为:)(lim )(lim 10s sE t e e s t ss →∞→==满足终值定理的条件是:)(1s sE 的极点均位于s 左半平面(包括坐标原点)。
同理,系统的稳态偏差为:0()lim ()lim ()ss t s t t sE s εε→∞→==例:设单位反馈系统的开环传递函数为()1/G s Ts =,输入信号分别为2()/2r t t =以及()sin r t t ω=,试求控制系统的稳态误差。
解:1、当2()/2r t t =时,其3()1/R s s =由偏差的定义01()()()()()()()1()()i i i E s X s B s X s H s X s X s G s H s =-=-=⋅+有22221()(1/)1/T T T E s s s T s s s T==-+++因为系统为单位负反馈系统,所以1()()E s E s = (a )反变换法取Laplace 反变换,得误差响应2/()()t Te t T e T t T -=+-稳态误差为:∞==∞→)(lim t e e t ss(b )终值定理法1()sE s 满足终值定理的条件,所以稳态误差为:1201lim ()lim ()lim (1/)ss t s s e e t sE s ss s T →∞→→===∞+=2、当()sin r t t ω=时,其22()/()R s s ωω=+,由于22232222222222()(1/)()11(1)(1/)(1)()(1)()sE s s T s T T s T T s T T s T s ωωωωωωωωωω=++=-⋅+⋅+⋅++++++因为系统为单位负反馈系统,所以1()()E s E s = (a )反变换法取Laplace 反变换,得误差响应22/222222()cos sin (1)(1)(1)t TT T T e t eT T T T T ωωωωωωωω-=-⋅+⋅++++ 显然稳态误差0)(lim ≠=∞→t e e t ss由于正弦函数得拉氏变换在虚轴上不解析,所以此时不能应用终值定理法来计算系统在正弦函数作用下的稳态误差,否则得出1220lim ()lim ()lim 0(1/)()ss t s s se e t sE s ss T s ωω→∞→→===++=的错误结论。
应当指出,对于高阶系统,误差信号1()E s 的极点不易求得,故用反变换法求稳态误差的方法并不实用。
在实际使用过程中,只要验证1()sE s 满足要求的解析条件,就使用终值定理法来求解系统的稳态误差。
三、与输入和系统结构有关的稳态偏差的计算1()()1()()i E s X s G s H s =⋅+)()()(11lim )(lim )(lim 0S X s H s G SS SE t i S S t ss +===→→∞→εε系统输入偏差与两个因素有关;1.系统结构(反映在)()(11s H s G +,G(S)H(S)-开环传函)2.输入信号Xi(S)因此,对于稳定的控制系统,稳态性能一般根据阶跃、斜坡或抛物线输入所引起的稳态偏差来判别。
本节研究的就是不能跟踪典型输入而引起的稳态偏差。
1、阶跃输入下的稳态偏差及位置无偏系数)()(11)()(11lim 0s H s G s H s G S S S ss +=+⨯=→ε :位置无偏系数,则令p p ss S p K K s H s G K 11)()(lim 0+==→ε2、斜坡输入下的稳态偏差及速度无偏系数)()(1)()(11lim 20s H s sG s H s G s s S ss=+⨯=→ε:速度无偏系数,则令v v ss S v K K s H s sG K 1)()(lim 0==→ε3、抛物线输入时的稳态偏差和加速度无偏系数)()(1)()(11lim 230s H s G s s H s G s s S ss=+⨯=→ε:加速度无偏系数,则令a a ss S a K K s H s G s K 1)()(lim 20==→ε注意:稳态偏差系数只对相应的阶跃、斜坡及抛物线输入有意义。
四、系统结构(开环传函)对稳态偏差的影响)系统的类型系统的开环传递函数可写成下面的形式:环节的个数:开环传函中串联积分:时间常数,系统开环增益νττττνi i n m T K s T s T s T s s s s K s H s G :)1()1)(1()1()1)(1()()(2121++++++=定义:开环传函所包含的积分环节的个数 v 为系统的型号数。
当0v =时,“0”型系统 当1v =时,“I ”型系统 当2v =时,“II ”型系统v 越高,稳态精度越高,但稳定性能越差,因此,一般系统不超过III 型。
ss ms 0s 0i i 1n j j 1v 1vs 01limsE(s)limsR(s)K (s 1)1s (T s 1)s lim R(s)K s →→=-νν=+→ε==τ+++=+∏∏可以看出,与系统稳态偏差有关的因素为:系统的型别v 、开环增益K ,系统的输入R (S )。
1、0型系统ν=0)1()1)(1()1()1)(1()()(2121++++++=s T s T s T s s s K s H s G n m τττK s H s G K S p ==→)()(lim 00)()(lim 0==→s H s sG K S v0)()(lim 20==→s H s G s K S a相应阶跃、斜坡、抛物线输入的稳态偏差0型系统没有积分环节存在,对阶跃输入的稳态偏差为一定值,与开环增益有关,K 越大,稳态偏差越小,对阶跃信号系统是有差系统。
0型系统不能跟随斜坡输入和抛物线输入。
2、Ⅰ型系统ν=1)1()1)(1()1()1)(1()()(2121++++++=s T s T s T s s s s K s H s G n m τττ∞==→)()(lim 0s H s G K S pK s H s sG K S v ==→)()(lim 00)()(lim 20==→s H s G s K S a相应阶跃、斜坡、抛物线输入的稳态偏差Ⅰ型系统对阶跃输入是无差系统;I 型系统能跟随斜波输入,但是存在稳态偏差,斜坡输入的稳态偏差与开环增益成反比,可以增加K 值来减少偏差;I 型系统不能跟随抛物线输入。
3、Ⅱ型系统ν=2)1()1)(1()1()1)(1()()(21221++++++=s T s T s T s s s s K s H s G n m τττ ∞==→)()(lim 0s H s G K S p∞==→)()(lim 0s H s sG K S vK s H s G s K S a ==→)()(lim 20相应阶跃、斜坡、抛物线输入的稳态偏差Ⅱ型系统对阶跃信号和斜坡信号为无差系统;II 型系统能跟随抛物线输入,但是存在稳态偏差,稳态偏差是有限值,与开环增益成反比,要无差则应采用III 型或高于III 型的系统, 但是,此时要使系统稳定则比较困难。
小结1)系统型别、输入形式和系统稳态偏差及静态无偏系数关系如下同一系统在不同的输入作用下,其稳态偏差是不同的。
更有意义的是,针对同一种输入,当系统的型别增加时,系统的准确性将得到提高;增加系统的开环增益,往往也可以提高系统的稳态精度。
但是,系统型别和开环增益的增加,却使得系统的稳定性变差。