冶金過程控制基礎(chǔ)及應(yīng)用第二章

1、第二章第二章 過程裝備控制基礎(chǔ)過程裝備控制基礎(chǔ)| 簡單過程控制系統(tǒng)的設(shè)計。簡單過程控制系統(tǒng)的設(shè)計。| 工業(yè)常用復(fù)雜控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工業(yè)常用復(fù)雜控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及應(yīng)用。特點(diǎn)及應(yīng)用。 它們中的多數(shù)系統(tǒng)仍只有一個它們中的多數(shù)系統(tǒng)仍只有一個( (或一個主要的或一個主要的) )被控變量，仍被控變量，仍參照簡單控制系統(tǒng)的基本原理參照簡單控制系統(tǒng)的基本原理來分析和設(shè)計，仍是經(jīng)典控制來分析和設(shè)計，仍是經(jīng)典控制理論發(fā)展的產(chǎn)物。理論發(fā)展的產(chǎn)物。|對被控對象作全面了解。對被控對象作全面了解。|解決控制方案和調(diào)節(jié)器參數(shù)的解決控制方案和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定。整定。|系統(tǒng)投運(yùn)。系統(tǒng)投運(yùn)。設(shè)計一個控制系統(tǒng)設(shè)計一個控制系統(tǒng)第

2、一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性| 控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的優(yōu)劣控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的優(yōu)劣過過程控制中最重要的問題，取決程控制中最重要的問題，取決于于自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其及其各各個環(huán)節(jié)的特性個環(huán)節(jié)的特性。| 被控對象的特性被控對象的特性由由生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝過程過程和和工藝設(shè)備工藝設(shè)備決定，在控制決定，在控制系統(tǒng)的設(shè)計中無法改變。只有系統(tǒng)的設(shè)計中無法改變。只有深刻了解被控對象的特性，才深刻了解被控對象的特性，才能得到良好的控制質(zhì)量。能得到良好的控制質(zhì)量。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性|被控對象的特性：被控對象的特性：是指當(dāng)被控對是指當(dāng)被控對象的輸入變量發(fā)生變化時，其

3、輸象的輸入變量發(fā)生變化時，其輸出變量隨時間的變化規(guī)律出變量隨時間的變化規(guī)律( (包括變包括變化的大小、速度等化的大小、速度等) )。通常所講的。通常所講的對象特性是對象特性是指控制通道的對象特指控制通道的對象特性性。 對一個被控對象來說，其輸對一個被控對象來說，其輸出變量就是控制系統(tǒng)的被控變量，出變量就是控制系統(tǒng)的被控變量，而其輸入變量則是控制系統(tǒng)的操而其輸入變量則是控制系統(tǒng)的操縱變量和干擾作用?？v變量和干擾作用。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性|通道：通道：被控對象輸入變量與輸被控對象輸入變量與輸出變量之間的聯(lián)系。出變量之間的聯(lián)系。|控制通道：控制通道：操縱變量與被控變操縱變量與被

4、控變量之間的聯(lián)系。量之間的聯(lián)系。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性|干擾通道：干擾通道：干擾作用與被控變干擾作用與被控變量之間的聯(lián)系。量之間的聯(lián)系。| 以工業(yè)過程中最簡單的以工業(yè)過程中最簡單的水槽液水槽液位對象位對象為例分析推導(dǎo)。為例分析推導(dǎo)。 在連續(xù)生產(chǎn)過程中，最基在連續(xù)生產(chǎn)過程中，最基本的關(guān)系是物料平衡和能量本的關(guān)系是物料平衡和能量平衡。平衡。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 在靜態(tài)條件在靜態(tài)條件下，單位時間流入下，單位時間流入對象的物料對象的物料( (或能量或能量) )等于從系統(tǒng)中等于從系統(tǒng)中流出的物料流出的物料( (或能量或能量) )；在；在動態(tài)條件動態(tài)條件下，單位時

5、間流入對象的物料下，單位時間流入對象的物料( (或或能量能量) )與單位時間從系統(tǒng)中流出的與單位時間從系統(tǒng)中流出的物料物料( (或能量或能量) )之差等于系統(tǒng)內(nèi)物料之差等于系統(tǒng)內(nèi)物料( (或能量或能量) )貯存量的變化率。貯存量的變化率。 被控對象的數(shù)學(xué)描述就是由這被控對象的數(shù)學(xué)描述就是由這兩種關(guān)系推導(dǎo)出來的微分方程式。兩種關(guān)系推導(dǎo)出來的微分方程式。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性水槽液位對象水槽液位對象：（1 1）單容液位對象）單容液位對象l有自衡特性的單容對象有自衡特性的單容對象l無自衡特性的單容對象無自衡特性的單容對象（2 2）雙容液位對象）雙容液位對象第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的

6、特被控對象的特性性圖圖2-1 2-1 有自衡單容液位對象有自衡單容液位對象H H：液位，輸出變量：液位，輸出變量qv1qv1，qv2qv2：體積流量：體積流量R Rs s1 1，R Rs s2 2：閥門：閥門第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 顯然，在任何時刻水位的變化均顯然，在任何時刻水位的變化均滿足下面的物料平衡關(guān)系：滿足下面的物料平衡關(guān)系： （2-12-1） V水槽內(nèi)液體的貯存量水槽內(nèi)液體的貯存量(液體體積液體體積)； t時間；時間； dV/dt貯存量的變化率。貯存量的變化率。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 設(shè)水槽的橫截面積為設(shè)水槽的橫截面積為A，是一，是一個常數(shù)，則

7、因?yàn)閭€常數(shù)，則因?yàn)?（2-2） 所以所以 （2-3） 第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性靜態(tài)情況時：靜態(tài)情況時： dV/dtdV/dt = 0 = 0 qv1 = qv2 qv1 = qv2qv1qv1變化變化 液位液位H H變化變化 水槽出水槽出口處靜壓液變化口處靜壓液變化 qv2 qv2變化。變化。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 假設(shè)假設(shè)qv1qv1變化量很小，可近似變化量很小，可近似認(rèn)為流出量取認(rèn)為流出量取qv2qv2與液位與液位H H成正比關(guān)成正比關(guān)系，與出水閥的水阻系，與出水閥的水阻R Rs s成反比關(guān)系，成反比關(guān)系，即即(2-4)(2-4) 第一節(jié)第一節(jié) 被控對

8、象的特被控對象的特性性 在討論被控對象的特性時，所在討論被控對象的特性時，所研究的是未受任何人為控制的被控研究的是未受任何人為控制的被控對象，因而出水閥的開度不變，阻對象，因而出水閥的開度不變，阻力力R Rs s為常數(shù)。為常數(shù)。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 將式將式(2-2)(2-2)和式和式(2-3)(2-3)代入式代入式(2-1)(2-1)，整理得，整理得(2-5)(2-5) 令令T=ART=ARs s，K=RK=Rs s，代入，代入(2-5)(2-5)，得，得(2-6)(2-6)第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 式式(2-6)(2-6)是用來描述單容水槽是用來描述

9、單容水槽被控對象的微分方程式，它是一個被控對象的微分方程式，它是一個一階常系數(shù)微分方程式一階常系數(shù)微分方程式。因此，通。因此，通常將這樣的被控對象叫做常將這樣的被控對象叫做一階被控一階被控對象對象。式。式(2-6)(2-6)中的中的T T稱為稱為時間常數(shù)時間常數(shù)，K K稱為被控對象的稱為被控對象的放大系數(shù)放大系數(shù)，它們，它們反映了被控對象的特性反映了被控對象的特性( (將在下一將在下一節(jié)中詳述節(jié)中詳述) )。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 圖圖2-l2-l所示的水槽液位被控對所示的水槽液位被控對象象, ,在初始平衡狀態(tài)時，流入水槽在初始平衡狀態(tài)時，流入水槽的流量的流量qv1qv1等

10、于流出水槽的流量等于流出水槽的流量qv2qv2，因此，液位穩(wěn)定在某一數(shù)值因此，液位穩(wěn)定在某一數(shù)值H H0 0上，上，處于平衡狀態(tài)。在處于平衡狀態(tài)。在t t0 0時刻，若流人時刻，若流人量量qv1qv1突然有一階躍變化量突然有一階躍變化量 qv1qv1，則可由式則可由式(2-5)(2-5)求出相應(yīng)的液體變求出相應(yīng)的液體變化量化量第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性(2-7)(2-7) 根據(jù)式根據(jù)式(2-7)(2-7)畫出圖畫出圖2-l2-l水槽水槽液位被控對象在階躍輸入作用下液位被控對象在階躍輸入作用下的特性曲線如圖的特性曲線如圖2-22-2所示。所示。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的

11、特性性0/1 1t tTHKqve 圖圖2-2 2-2 單容自衡特性曲線單容自衡特性曲線第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 從圖從圖(2-2)(2-2)曲線可以看出，在曲線可以看出，在初始階段，由于初始階段，由于qv1qv1突然增加而流突然增加而流出量出量qv2qv2還沒有變化，因此液位還沒有變化，因此液位H H上上升速度很快；隨著液位的上升，水升速度很快；隨著液位的上升，水槽出口處的靜壓增大，因此槽出口處的靜壓增大，因此qv2qv2隨隨之增加，之增加，qv1qv1與與qv2qv2之間的差值就越之間的差值就越來越小，液位來越小，液位H H的上升速度就越來的上升速度就越來越慢。越慢。第一

12、節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性(2-8)(2-8) K K為常數(shù)，若為常數(shù)，若 qv1qv1為常數(shù)，為常數(shù)，液位又液位又重新回到平衡狀態(tài)，此時重新回到平衡狀態(tài)，此時qv1 = qv2qv1 = qv2 這就是這就是被控對象的自衡特性被控對象的自衡特性。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 由式由式(2-7)(2-7)和圖和圖2-22-2可以看出，可以看出，當(dāng)當(dāng)t t時時 定義：定義：被控對象的自衡特性輸入被控對象的自衡特性輸入變量發(fā)生變化破壞了被控對象的平變量發(fā)生變化破壞了被控對象的平衡而引起輸出變量變化時，在沒有衡而引起輸出變量變化時，在沒有人為干預(yù)的情況下，被控對象自身人為干

13、預(yù)的情況下，被控對象自身能重新恢復(fù)平衡的特性。能重新恢復(fù)平衡的特性。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 自衡持性有利于控制，在某些自衡持性有利于控制，在某些情況下，使用簡單的控制系統(tǒng)就能情況下，使用簡單的控制系統(tǒng)就能得到良好的控制質(zhì)量，甚至有時可得到良好的控制質(zhì)量，甚至有時可以不用設(shè)置控制系統(tǒng)。以不用設(shè)置控制系統(tǒng)。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性圖圖2-3 2-3 無自衡單容液位對象無自衡單容液位對象第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 在此類被控對象中，泵的出口在此類被控對象中，泵的出口流量流量qv2qv2不隨液位變化而變化，因不隨液位變化而變化，因此對象的動態(tài)方程記

14、為此對象的動態(tài)方程記為(2-9)(2-9)第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 在在t t0 0時刻之前，被控對象處于時刻之前，被控對象處于平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)，qv1 = qv2qv1 = qv2。假定在。假定在t t0 0時刻，水槽的流入量突然有一個階時刻，水槽的流入量突然有一個階躍變化躍變化 qv1qv1，由式，由式(2-9)(2-9)可得可得(2-10)(2-10)第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 由于水槽的流出量不變，所以由于水槽的流出量不變，所以當(dāng)流入量突然增加當(dāng)流入量突然增加 qv1時，液位時，液位H將隨時間將隨時間t的推移

15、恒速上升，不會的推移恒速上升，不會重新穩(wěn)定下來，直至水槽頂部溢出，重新穩(wěn)定下來，直至水槽頂部溢出，這就是這就是無自衡特性無自衡特性。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 無自衡特性的被控對象在受到無自衡特性的被控對象在受到擾動作用后不能重新恢復(fù)平衡，因擾動作用后不能重新恢復(fù)平衡，因此控制要求較高。對這類被控對象此控制要求較高。對這類被控對象除必須施加除必須施加控制控制外，還常常設(shè)有外，還常常設(shè)有自自動報警系統(tǒng)動報警系統(tǒng)。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性圖圖2-5 2-5 雙容液位對象（雙容液位對象（第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特

16、性性第一第一節(jié)節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 式式(2-11)(2-11)與式與式(2-12)(2-12)相加得相加得(2-13)(2-13) 第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 同理，在同理，在qv2qv2、qv3qv3變化量極變化量極小時，水流出量與液位的關(guān)系近小時，水流出量與液位的關(guān)系近似為似為(2-14)(2-14)(2-15)(2-15)第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 將式將式(2-14)(2-14)和式和式(2-15)(2-15)代入代入式式(2-12)(2-12)并求微分后，經(jīng)整理得并求微分后，經(jīng)整理得(2-16)(2-16) 第一第一節(jié)節(jié) 被控對象的特被控

17、對象的特性性 再將式再將式(2-15)(2-15)和式和式(2-16)(2-16)代入式代入式(2-13)(2-13)，經(jīng)整理得，經(jīng)整理得(2-17)(2-17) A A1 1、A A2 2分別為水槽分別為水槽1 1、2 2的橫截面積；的橫截面積； R Rs1s1、R Rs2s2分別為水槽分別為水槽1 1、2 2的出水閥的出水閥阻力系數(shù)。阻力系數(shù)。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 令令 則則(2-18)(2-18)第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 式式(2-18)(2-18)就是描述圖就是描述圖2-52-5所示所示雙容水槽被控對象的二階微分方雙容水槽被控對象的二階微分方程式

18、。通常，這樣的被控對象叫程式。通常，這樣的被控對象叫做做二階被控對象二階被控對象。式中的。式中的T Tl l為水槽為水槽1 1的時間常數(shù)，的時間常數(shù)， T T2 2為水槽為水槽2 2的時間的時間常數(shù)，常數(shù)，K K為被控對象的放大倍數(shù)。為被控對象的放大倍數(shù)。圖圖2-62-6顯示了雙容水槽在階躍輸入顯示了雙容水槽在階躍輸入作用下的響應(yīng)曲線。作用下的響應(yīng)曲線。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性圖圖2-6 2-6 二階對象特性曲線二階對象特性曲線第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 以上是液位被控對象的數(shù)學(xué)以上是液位被控對象的數(shù)學(xué)描述形式的推導(dǎo)，即數(shù)學(xué)模型的描述形式的推導(dǎo)，即數(shù)學(xué)模型的建

19、立。對于其他類型比較簡單的建立。對于其他類型比較簡單的被控對象，如被控對象，如壓力罐的壓力被控壓力罐的壓力被控對象對象、熱交換器的溫度被控對象熱交換器的溫度被控對象等等，都可用該方法建立其數(shù)學(xué)等等，都可用該方法建立其數(shù)學(xué)模型。對于復(fù)雜的被控對象，直模型。對于復(fù)雜的被控對象，直第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 接用數(shù)學(xué)方法建立模型比較因難。接用數(shù)學(xué)方法建立模型比較因難。 數(shù)學(xué)模型除了用數(shù)學(xué)模型除了用方程式方程式表示表示外，還可以用外，還可以用圖形圖形、表格表格等形式等形式來表示。來表示。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性-20246810121416-2.0-1.5-1.0-0

20、.50.00.51.01.52.0 E / VpHHV2O5-V2O4V2O3VO43-HVO42-VO+2 VO2+V3+V2+V2O5VO12347911121314V56131324131321131315131316131322131318131319131320AB1013178TiOTiO2Ti Ti2O3Ti3+Ti2+13132613132513132813133013133413133213132713133113133302040608010040005000600070008000900010000110001200013000 (Mn,Fe)(Cr,V)2O4 SiO2

21、 TiO2 Fe2.5Ti0.5O4 Fe2O3CountsPosition。2Theta4#3#2# 1#不同反應(yīng)溫度下物相不同反應(yīng)溫度下物相102030405060708090050001000015000200002500030000 2 ThetaIntensity (Counts)(001)(104)硅飽和系數(shù)硅飽和系數(shù)x混合情況混合情況時間（時間（s）30105090130200400600 由于其表觀活化能由于其表觀活化能為為11.84kJ/mol，表觀反應(yīng)級數(shù)表觀反應(yīng)級數(shù)0.92133。lgk與與1000/T關(guān)系圖關(guān)系圖2(0.06261)0.00491 0.0008843ex

22、p0.001395rk反應(yīng)速率常數(shù)與各因素的關(guān)系：反應(yīng)速率常數(shù)與各因素的關(guān)系：釩渣粒度釩渣粒度反應(yīng)溫度反應(yīng)溫度31lg0.61839 100.64215kT 攪拌轉(zhuǎn)速攪拌轉(zhuǎn)速ln0.30459ln7.09105kR氧氣分壓氧氣分壓0ln0.92133ln9.95326kC 描述被控對象特性的參數(shù)描述被控對象特性的參數(shù)有有放大系數(shù)放大系數(shù)K K、時間常數(shù)時間常數(shù)T T、滯滯后時間后時間 。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性1.1. 放大系數(shù)放大系數(shù) 式式(2-6)(2-6)以及式以及式(2-18)(2-18)中的中的K K就是對象的放大系數(shù)，又稱就是對象的放大系數(shù)，又稱靜靜態(tài)增益態(tài)增益，

23、是被控對象重新達(dá)到，是被控對象重新達(dá)到平衡狀態(tài)時的輸出變化量與輸平衡狀態(tài)時的輸出變化量與輸入變化量之比。入變化量之比。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 如圖如圖2-22-2所示，水槽液位在階躍干所示，水槽液位在階躍干擾作用下產(chǎn)生變化，當(dāng)它重新達(dá)擾作用下產(chǎn)生變化，當(dāng)它重新達(dá)到平衡狀態(tài)時，液位到平衡狀態(tài)時，液位H H穩(wěn)定在一個穩(wěn)定在一個新的數(shù)值上。此時，輸出變化量新的數(shù)值上。此時，輸出變化量 H H與輸入變化量與輸入變化量 qvqv有式有式(2-8)(2-8)所所示的對應(yīng)關(guān)系。示的對應(yīng)關(guān)系。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 由上述結(jié)果可歸納出有關(guān)放由上述結(jié)果可歸納出有關(guān)放大系數(shù)

24、的幾個大系數(shù)的幾個一般性結(jié)論一般性結(jié)論。1)1) 放大系數(shù)放大系數(shù)K K表達(dá)了被控對象在干表達(dá)了被控對象在干擾作用下重新達(dá)到平衡狀態(tài)的性擾作用下重新達(dá)到平衡狀態(tài)的性能，是不隨時間變化的參數(shù)。所能，是不隨時間變化的參數(shù)。所以以K K是被控對象的靜態(tài)特性參數(shù)。是被控對象的靜態(tài)特性參數(shù)。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性2)2) 在相同的輸入變化量作用下，被在相同的輸入變化量作用下，被控對象的控對象的K K越大，輸出變化量就越大，輸出變化量就越大，即輸入對輸出的影響越大，越大，即輸入對輸出的影響越大，被控對象的自身穩(wěn)定性越差；反被控對象的自身穩(wěn)定性越差；反之，之，K K越小，被控對象的穩(wěn)定性

25、越小，被控對象的穩(wěn)定性越好。越好。第一第一節(jié)節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性線性對象線性對象：K K在任何輸入變化情況在任何輸入變化情況下都是常數(shù)的被控對象。下都是常數(shù)的被控對象。非線性對象非線性對象：輸入不同的變化量其：輸入不同的變化量其放大系數(shù)不為常數(shù)的被控對象。放大系數(shù)不為常數(shù)的被控對象。非線性對象是比較難控制的。非線性對象是比較難控制的。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 處于不同通道的放大系數(shù)處于不同通道的放大系數(shù)K K對對控制質(zhì)量的影響是不一樣的。對控控制質(zhì)量的影響是不一樣的。對控制通道而言，如果制通道而言，如果K K值大，則即使值大，則即使調(diào)節(jié)器的輸出變化不大，對被控變調(diào)

26、節(jié)器的輸出變化不大，對被控變量的影響也會很大，控制很靈敏。量的影響也會很大，控制很靈敏。對于這種對象其控制作用的變化應(yīng)對于這種對象其控制作用的變化應(yīng)相應(yīng)地和緩一些，否則被控變量波相應(yīng)地和緩一些，否則被控變量波動較大，不易穩(wěn)定。動較大，不易穩(wěn)定。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 反之，反之，K K小，會使被控變量變化遲小，會使被控變量變化遲緩。對干擾通道而言，如果緩。對干擾通道而言，如果K K較小，較小，即使干擾幅度很大，也不會對被控即使干擾幅度很大，也不會對被控變量產(chǎn)生很大的影響。若變量產(chǎn)生很大的影響。若K K很大，很大，則當(dāng)干擾幅度較大而又頻繁出現(xiàn)時，則當(dāng)干擾幅度較大而又頻繁出現(xiàn)時

27、，系統(tǒng)就很難穩(wěn)定，除非設(shè)法排除于系統(tǒng)就很難穩(wěn)定，除非設(shè)法排除于擾或者采用較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，擾或者采用較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)，否則很難保證控制質(zhì)量。否則很難保證控制質(zhì)量。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性2.2. 時間常數(shù)時間常數(shù) 式式(2-6)(2-6)以及式以及式(2-18)(2-18)中的中的T T、T T1 1、T T2 2都叫做時間常數(shù)，它反映都叫做時間常數(shù)，它反映被控對象受到輸入作用后，輸被控對象受到輸入作用后，輸出變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的快慢，出變量達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值的快慢，它決定了整個動態(tài)過程的長短。它決定了整個動態(tài)過程的長短。因此，它是被控對象的動態(tài)特因此，它是被控對象的動態(tài)特性參數(shù)

28、。性參數(shù)。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 圖圖2-72-7顯示了不同時間常數(shù)下顯示了不同時間常數(shù)下單容對象的響應(yīng)曲線。隨著時間常單容對象的響應(yīng)曲線。隨著時間常數(shù)數(shù)T T的增加，輸出量到達(dá)新穩(wěn)態(tài)值的的增加，輸出量到達(dá)新穩(wěn)態(tài)值的時間也變長。時間也變長。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 處于不同通道的時間常數(shù)對控處于不同通道的時間常數(shù)對控制系統(tǒng)的影響不一樣。制系統(tǒng)的影響不一樣。 對于控制通道對于控制通道，若時間常數(shù)，若時間常數(shù)T T大，大，則被控變量的變化較緩和，一般來講，則被控變量的變化較緩和，一般來講，這種對象比較穩(wěn)定這種對象比較穩(wěn)定，容易控制容易控制，但缺，但缺點(diǎn)是點(diǎn)是控

29、制過于緩慢控制過于緩慢；若時間常數(shù)；若時間常數(shù)T T小，小，則則被控變量的變化速度快被控變量的變化速度快，不易控制不易控制。因此，時間常數(shù)太大或太小，對過程因此，時間常數(shù)太大或太小，對過程控制都不利?？刂贫疾焕?。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 而而對于干擾通道對于干擾通道，時間常，時間常數(shù)大則有明顯的好處，此時數(shù)大則有明顯的好處，此時階躍階躍干擾對系統(tǒng)的影響會變得比較緩干擾對系統(tǒng)的影響會變得比較緩和和，被控變量的變化平穩(wěn)被控變量的變化平穩(wěn)，對象，對象容易控制容易控制。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性3.3. 滯后時間滯后時間 有不少化工對象，在受到有不少化工對象，在受到輸

30、入變量的作用后，其被控變輸入變量的作用后，其被控變量并不立即發(fā)生變化，而是過量并不立即發(fā)生變化，而是過一段時間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)一段時間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為象稱為滯后現(xiàn)象滯后現(xiàn)象；滯后時間滯后時間是是描述對象滯后現(xiàn)象的動態(tài)參數(shù)。描述對象滯后現(xiàn)象的動態(tài)參數(shù)。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 根據(jù)滯后性質(zhì)的不同，滯根據(jù)滯后性質(zhì)的不同，滯后時間可分為兩種：后時間可分為兩種： 1) 1) 傳遞滯后傳遞滯后 2) 2) 容量滯后容量滯后第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 1)1) 傳遞滯后傳遞滯后 0 0 又叫又叫純滯后純滯后，是由于，是由于信號信號的傳輸?shù)膫鬏敗⒔橘|(zhì)的輸送介質(zhì)的輸

31、送或或熱的傳熱的傳遞遞要經(jīng)過一段時間而產(chǎn)生的，要經(jīng)過一段時間而產(chǎn)生的，常用常用 0 0來表示。如圖來表示。如圖2-8(a)2-8(a)所所示的溶解槽。示的溶解槽。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性圖圖2-8(a) 2-8(a) 溶解槽溶解槽第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 圖圖2-8(a)2-8(a)中，料斗中的固體用中，料斗中的固體用皮帶輸送機(jī)送至溶解槽。在料斗加皮帶輸送機(jī)送至溶解槽。在料斗加大送料量后大送料量后( (即階躍輸入即階躍輸入) )，固體溶，固體溶質(zhì)需等輸送機(jī)將其送到加料口并落質(zhì)需等輸送機(jī)將其送到加料口并落入槽中后，才會影響溶解槽內(nèi)溶液入槽中后，才會影響溶解槽內(nèi)

32、溶液的濃度。若以料斗的加料量作為對的濃度。若以料斗的加料量作為對象的輸入，以溶液濃度作為對象的象的輸入，以溶液濃度作為對象的輸出，則其響應(yīng)曲線如圖輸出，則其響應(yīng)曲線如圖2-8(b)2-8(b)。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性圖圖2-8(b) 2-8(b) 溶解槽的階躍響應(yīng)曲線溶解槽的階躍響應(yīng)曲線第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 顯然純滯后顯然純滯后 0 0與皮帶輸送與皮帶輸送機(jī)傳送速度機(jī)傳送速度u u和傳遞距離和傳遞距離L L有如有如下關(guān)系下關(guān)系(2-19)(2-19)第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 2) 2) 容量滯后容量滯后 c c 一般是由于物料或能量的

33、傳遞一般是由于物料或能量的傳遞過程中受到一定的阻力而引起的，過程中受到一定的阻力而引起的，或者說是由于容量數(shù)目多而產(chǎn)生的?；蛘哒f是由于容量數(shù)目多而產(chǎn)生的。一般用容量滯后時間一般用容量滯后時間 c c來表征其滯來表征其滯后的程度，其主要特征是當(dāng)輸入階后的程度，其主要特征是當(dāng)輸入階躍作用后，被控對象的輸出變量開躍作用后，被控對象的輸出變量開始變化很慢，然后逐漸加快，接著始變化很慢，然后逐漸加快，接著又變慢，直至逐漸接近穩(wěn)定值。又變慢，直至逐漸接近穩(wěn)定值。第一第一節(jié)節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 如圖如圖2-52-5所示的雙容液位對象，所示的雙容液位對象，從其響應(yīng)曲線圖從其響應(yīng)曲線圖2-62-6可

34、以看出上述可以看出上述變化趨勢。容量滯后時間變化趨勢。容量滯后時間 c c就是在就是在響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)處作切線，切線與響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)處作切線，切線與時間軸的交點(diǎn)與被控變量開始變化時間軸的交點(diǎn)與被控變量開始變化的起點(diǎn)之間的時間間隔就是容量滯的起點(diǎn)之間的時間間隔就是容量滯后時間后時間 c c 。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特被控對象的特性性 從原理上講，傳遞滯后和容量從原理上講，傳遞滯后和容量滯后的本質(zhì)是不向的，但實(shí)際上很滯后的本質(zhì)是不向的，但實(shí)際上很難嚴(yán)格區(qū)分。當(dāng)兩者同時存在時，難嚴(yán)格區(qū)分。當(dāng)兩者同時存在時，通常把這兩種滯后時間加在一起，通常把這兩種滯后時間加在一起，統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為滯后時間滯后時間，用，

35、用 來表示，即來表示，即 = = 0 0 + + c c 第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 在控制系統(tǒng)中，滯后的影響與在控制系統(tǒng)中，滯后的影響與其所在的通道有關(guān)。對控制通道來其所在的通道有關(guān)。對控制通道來講，滯后的存在不利于控制。例如，講，滯后的存在不利于控制。例如，調(diào)節(jié)間距對象較遠(yuǎn)，控制作用的效調(diào)節(jié)間距對象較遠(yuǎn)，控制作用的效果要隔一段時間才能顯現(xiàn)出來，這果要隔一段時間才能顯現(xiàn)出來，這將使控制不夠及時，在干擾出現(xiàn)后將使控制不夠及時，在干擾出現(xiàn)后不能迅速調(diào)節(jié)，嚴(yán)重影響控制質(zhì)量；不能迅速調(diào)節(jié)，嚴(yán)重影響控制質(zhì)量；第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 對于干擾通道，對于干擾通道，純滯后

36、只是推遲純滯后只是推遲了干擾作用的時間，因此對控制了干擾作用的時間，因此對控制質(zhì)量沒有影響；而容量滯后則可質(zhì)量沒有影響；而容量滯后則可以緩和干擾對被控變量的影響，以緩和干擾對被控變量的影響，因而對控制系統(tǒng)是有利的。因而對控制系統(tǒng)是有利的。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 對象特性的求取方法通常有對象特性的求取方法通常有兩種：兩種： 1) 1) 數(shù)學(xué)方法數(shù)學(xué)方法 2) 2) 實(shí)驗(yàn)測定法實(shí)驗(yàn)測定法第一第一節(jié)節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性1)1) 數(shù)學(xué)方法：數(shù)學(xué)方法：從工藝過程的變化從工藝過程的變化機(jī)理出發(fā)，寫出各種有關(guān)的平機(jī)理出發(fā)，寫出各種有關(guān)的平衡方程衡方程( (如物料平衡方程、能量

37、如物料平衡方程、能量平衡方程等平衡方程等) )，進(jìn)而推導(dǎo)出被控，進(jìn)而推導(dǎo)出被控對象的數(shù)學(xué)模型，得出其特性對象的數(shù)學(xué)模型，得出其特性參數(shù)，再結(jié)合實(shí)際進(jìn)行理論分參數(shù)，再結(jié)合實(shí)際進(jìn)行理論分析。析。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性2)2) 實(shí)驗(yàn)測定法實(shí)驗(yàn)測定法：是通過對被控對：是通過對被控對象的實(shí)驗(yàn)測試求出其特性參數(shù)。象的實(shí)驗(yàn)測試求出其特性參數(shù)。 在工程上常常用在工程上常常用實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)方法測定對象的動態(tài)特性，原因有測定對象的動態(tài)特性，原因有三：三：第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 對象的動態(tài)特性雖可運(yùn)用流動、對象的動態(tài)特性雖可運(yùn)用流動、蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、傳熱、吸收蒸發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、傳

38、熱、吸收等物理化學(xué)基礎(chǔ)理論來推導(dǎo)求等物理化學(xué)基礎(chǔ)理論來推導(dǎo)求解，但由于具體對象的物理化解，但由于具體對象的物理化學(xué)過程是復(fù)雜的，在數(shù)學(xué)推導(dǎo)學(xué)過程是復(fù)雜的，在數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程中必須作許多假設(shè)和簡化，過程中必須作許多假設(shè)和簡化，推導(dǎo)的結(jié)果尚需實(shí)驗(yàn)測試來驗(yàn)推導(dǎo)的結(jié)果尚需實(shí)驗(yàn)測試來驗(yàn)證；證；第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 實(shí)際工業(yè)對象的機(jī)理很復(fù)雜，實(shí)際工業(yè)對象的機(jī)理很復(fù)雜，有時甚至很難用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)，有時甚至很難用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)，這時只能用實(shí)驗(yàn)方法來測定；這時只能用實(shí)驗(yàn)方法來測定；第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 有許多被控對象的特性在運(yùn)行有許多被控對象的特性在運(yùn)行過程中會隨工況變化而

39、改變，過程中會隨工況變化而改變，或隨其他因素而改變，為了提或隨其他因素而改變，為了提高控制系統(tǒng)的品質(zhì)，有時需要高控制系統(tǒng)的品質(zhì)，有時需要采用自整定控制或自適應(yīng)控制，采用自整定控制或自適應(yīng)控制，這種系統(tǒng)就非得在運(yùn)行過程中這種系統(tǒng)就非得在運(yùn)行過程中用實(shí)驗(yàn)方法測定對象的動態(tài)特用實(shí)驗(yàn)方法測定對象的動態(tài)特性不可。性不可。第一第一節(jié)節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 被控對象的實(shí)驗(yàn)測定法被控對象的實(shí)驗(yàn)測定法，就，就是給所要研究的對象人為地輸入是給所要研究的對象人為地輸入一個擾動信號，然后測取被控對一個擾動信號，然后測取被控對象輸出變量隨時間的變化規(guī)律，象輸出變量隨時間的變化規(guī)律，得出一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線，

40、得出一系列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線，這些數(shù)據(jù)和曲線就表征了一定的這些數(shù)據(jù)和曲線就表征了一定的被控對象特性。被控對象特性。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 被控對象的實(shí)驗(yàn)測定方法有多被控對象的實(shí)驗(yàn)測定方法有多種，它們種，它們主要區(qū)別于所加入的輸入主要區(qū)別于所加入的輸入變量的信號形式變量的信號形式。下面介紹兩種常。下面介紹兩種常用的方法。用的方法。 1) 1) 響應(yīng)曲線法響應(yīng)曲線法 2) 2) 脈沖響應(yīng)法脈沖響應(yīng)法第一第一節(jié)節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性1)1) 響應(yīng)曲線法：響應(yīng)曲線法：是用實(shí)驗(yàn)的方法是用實(shí)驗(yàn)的方法測定對象在階躍輸入作用下，測定對象在階躍輸入作用下，其輸出量隨時間的變化規(guī)律。其

41、輸出量隨時間的變化規(guī)律。例如要測定圖例如要測定圖2-l2-l所示的單容水所示的單容水槽液位對象的動態(tài)特性，具體槽液位對象的動態(tài)特性，具體做法是：假定在時間做法是：假定在時間t=tt=t0 0前，前，對象處于穩(wěn)定狀態(tài)，流入水槽對象處于穩(wěn)定狀態(tài)，流入水槽第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 的流量等于流出水槽的流量，即的流量等于流出水槽的流量，即qv1=qv2=qv0qv1=qv2=qv0，液位，液位H H保持不變；在保持不變；在t t0 0時刻，突然開大進(jìn)水聞時刻，突然開大進(jìn)水聞l l，使對，使對象的輸入量象的輸入量qv1qv1增加增加 qv1qv1并一直保并一直保持不變，即加入一階躍輸入

42、；測出持不變，即加入一階躍輸入；測出對象輸出量對象輸出量H H從從t t0 0時刻起隨時間時刻起隨時間t t的的變化規(guī)律，就得到水槽液位對象的變化規(guī)律，就得到水槽液位對象的特性曲線，如圖特性曲線，如圖2-92-9所示。所示。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性圖圖2-9 2-9 響應(yīng)曲線法響應(yīng)曲線法第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 將測得的反應(yīng)曲線轉(zhuǎn)化成近將測得的反應(yīng)曲線轉(zhuǎn)化成近似的數(shù)學(xué)表達(dá)式有三個步驟。似的數(shù)學(xué)表達(dá)式有三個步驟。 求純滯后時間求純滯后時間：從：從t t0 0時刻起到時刻起到輸出開始變化的這段時間，即輸輸出開始變化的這段時間，即輸入變化而輸出不發(fā)生變化的這段入變

43、化而輸出不發(fā)生變化的這段時間為純滯后時間。時間為純滯后時間。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 求靜態(tài)放大倍數(shù)求靜態(tài)放大倍數(shù)：(2-20)(2-20)第一第一節(jié)節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 求時間常數(shù)求時間常數(shù)T T：在反應(yīng)曲線上找：在反應(yīng)曲線上找到輸出量變化至終值到輸出量變化至終值63.263.2時的坐時的坐標(biāo)點(diǎn)，它所對應(yīng)的時刻與輸出量開標(biāo)點(diǎn)，它所對應(yīng)的時刻與輸出量開始變化時的時刻之差就是時間常數(shù)始變化時的時刻之差就是時間常數(shù)T T。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 響應(yīng)曲線法是一種比較簡單的響應(yīng)曲線法是一種比較簡單的對象特性實(shí)驗(yàn)測定方法，但由于實(shí)對象特性實(shí)驗(yàn)測定方法，

44、但由于實(shí)際生產(chǎn)過程中的干擾因素較多，而際生產(chǎn)過程中的干擾因素較多，而且一般不允許輸入量變化太大，通且一般不允許輸入量變化太大，通常為額定值的常為額定值的5 5-10-10，因此這種，因此這種方法的方法的精度較差精度較差。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性2)2) 脈沖響應(yīng)法：脈沖響應(yīng)法：是用實(shí)驗(yàn)的方法是用實(shí)驗(yàn)的方法測取對象在矩形脈沖輸入信號測取對象在矩形脈沖輸入信號作用下，其輸出量隨時間的變作用下，其輸出量隨時間的變化規(guī)律。當(dāng)對象處于穩(wěn)定工況化規(guī)律。當(dāng)對象處于穩(wěn)定工況下，在時刻下，在時刻t t0 0突然加入一階躍輸突然加入一階躍輸入量，作用一段時間后，在入量，作用一段時間后，在t t1

45、 1時時刻再突然撤除該階躍信號，測刻再突然撤除該階躍信號，測第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 出輸出量從出輸出量從t t0 0時刻起隨時間的變化時刻起隨時間的變化規(guī)律，如圖規(guī)律，如圖2-102-10所示。所示。圖圖2-10 2-10 脈沖響應(yīng)法脈沖響應(yīng)法第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 矩形脈沖響應(yīng)曲線與階躍響應(yīng)矩形脈沖響應(yīng)曲線與階躍響應(yīng)曲線有著密切的關(guān)系。可以將矩形曲線有著密切的關(guān)系。可以將矩形脈沖看作是脈沖看作是t t0 0時刻的正向階躍信號時刻的正向階躍信號x x0 0與與t t1 1時刻的反向階躍信號時刻的反向階躍信號-x-x0 0的組的組合信號，那么其響應(yīng)曲線也就

46、是這合信號，那么其響應(yīng)曲線也就是這兩條階躍響應(yīng)曲線的合成曲線，即兩條階躍響應(yīng)曲線的合成曲線，即第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 y(t)=yy(t)=yl l(t)-y(t)-yl l(t-(t- t t) )，其中，其中 t t=t=t1 1-t-t0 0。根據(jù)這個關(guān)系，可以。根據(jù)這個關(guān)系，可以很容易地得到完整的脈沖響應(yīng)曲很容易地得到完整的脈沖響應(yīng)曲線，從而求得對象的特性參數(shù)。線，從而求得對象的特性參數(shù)。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 用矩形脈沖干擾來測取對象特用矩形脈沖干擾來測取對象特性時，由于加在對象上的干擾經(jīng)過性時，由于加在對象上的干擾經(jīng)過一段時間即被除去，因此一

47、段時間即被除去，因此干擾的幅干擾的幅度可取的較大度可取的較大，以，以提高實(shí)驗(yàn)的精度提高實(shí)驗(yàn)的精度；同時，對象輸出量又不至于長時間同時，對象輸出量又不至于長時間地偏離給定值，因而對正常生產(chǎn)影地偏離給定值，因而對正常生產(chǎn)影響較小。所以，這種方法是測定對響較小。所以，這種方法是測定對象特性常用的方法之一。象特性常用的方法之一。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 除上述方法外，還可采用不同除上述方法外，還可采用不同頻率的正弦波和矩形波信號作為對頻率的正弦波和矩形波信號作為對象的輸人信號來測取對象的動態(tài)特象的輸人信號來測取對象的動態(tài)特性，即性，即頻域方法頻域方法；或直接利用對象；或直接利用對象正

48、常運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)或?qū)ο笤谔卣＿\(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)據(jù)或?qū)ο笤谔厥庑盘柺庑盘? (如偽隨機(jī)倍導(dǎo)如偽隨機(jī)倍導(dǎo)) )作用下的響作用下的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計獲得對象的動應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計獲得對象的動態(tài)特性，即態(tài)特性，即統(tǒng)計方法統(tǒng)計方法。第一節(jié)第一節(jié) 被控對象的特性被控對象的特性 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)：又稱：又稱簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)，是，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)，一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)，其方框圖如圖其方框圖如圖1-21-2所示。所示。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計

49、 簡單回路控制系統(tǒng)簡單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單簡單、易于分析設(shè)計易于分析設(shè)計，投資投資少少、便于施工便于施工，并，并能滿足一能滿足一般生產(chǎn)過程的控制要求般生產(chǎn)過程的控制要求，因，因此，在生產(chǎn)過程中得到廣泛此，在生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計| 首先應(yīng)對被控對象做全面的了首先應(yīng)對被控對象做全面的了解，包括其動靜態(tài)特性；解，包括其動靜態(tài)特性；| 對工藝過程、設(shè)備等進(jìn)行深入對工藝過程、設(shè)備等進(jìn)行深入了解；了解；第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計| 確定正確的控制方案，包括合確定正確的控制方案，包括合理地選擇被控變量與操縱變量，理地

50、選擇被控變量與操縱變量，選擇合適的檢測變送元件及檢選擇合適的檢測變送元件及檢測位置，選用恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行器、測位置，選用恰當(dāng)?shù)膱?zhí)行器、調(diào)節(jié)器以及調(diào)節(jié)器控制規(guī)律等；調(diào)節(jié)器以及調(diào)節(jié)器控制規(guī)律等；| 將調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定到最佳值。將調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定到最佳值。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(1) (1) 被控變量的選擇被控變量的選擇 被控變量是生產(chǎn)過程中希望保持被控變量是生產(chǎn)過程中希望保持在定值的過程參數(shù)。在定值的過程參數(shù)。 影響一個生產(chǎn)過程正常操作的因影響一個生產(chǎn)過程正常操作的因素很多，但并非所有的影響因素素很多，但并非所有的影響因素都要進(jìn)行控制，而且也不可能都都要進(jìn)行控制，而且也不可

51、能都加以控制。加以控制。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計 作為被控變量，它應(yīng)是對提高產(chǎn)作為被控變量，它應(yīng)是對提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量、促進(jìn)安全生產(chǎn)、品質(zhì)量和產(chǎn)量、促進(jìn)安全生產(chǎn)、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)能等具有決提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)能等具有決定作用的工藝變量。定作用的工藝變量。 因此，需要在了解工藝過程、控因此，需要在了解工藝過程、控制要求的基礎(chǔ)上，分析各變量間制要求的基礎(chǔ)上，分析各變量間的關(guān)系，合理選擇被控變量。的關(guān)系，合理選擇被控變量。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計選擇被控變量的基本原則選擇被控變量的基本原則：1)1) 作為被控變量，其信號最好能作為被控變量，其信

52、號最好能夠直接測量獲得，并且測量和夠直接測量獲得，并且測量和變送環(huán)節(jié)的滯后也要比較小。變送環(huán)節(jié)的滯后也要比較小。2)2) 若被控變量信號無法直接獲取，若被控變量信號無法直接獲取，可選擇與之有單值函數(shù)關(guān)系的可選擇與之有單值函數(shù)關(guān)系的間接參數(shù)作為被控變量。間接參數(shù)作為被控變量。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計3)3) 作為被控變量，必須是獨(dú)立變作為被控變量，必須是獨(dú)立變量。變量的數(shù)目一般可以用物量。變量的數(shù)目一般可以用物理化學(xué)中的相律關(guān)系來確定。理化學(xué)中的相律關(guān)系來確定。4)4) 作為被控變量，必須考慮工藝作為被控變量，必須考慮工藝合理性，以及目前儀表的現(xiàn)狀合理性，以及目前儀表

53、的現(xiàn)狀能否滿足要求。能否滿足要求。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計 綜上所述，合理選擇被控變量綜上所述，合理選擇被控變量是單回路控制系統(tǒng)設(shè)計的第一步，是單回路控制系統(tǒng)設(shè)計的第一步，同時也是關(guān)系到控制方案成敗的關(guān)同時也是關(guān)系到控制方案成敗的關(guān)鍵。如果被控變量選擇不當(dāng)，則不鍵。如果被控變量選擇不當(dāng)，則不管組成什么形式的控制系統(tǒng)，也不管組成什么形式的控制系統(tǒng)，也不管配備多么精良的自動化設(shè)備，都管配備多么精良的自動化設(shè)備，都不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。不能達(dá)到預(yù)期的控制效果。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計 (2) (2) 操縱變量的選擇操縱變量的選擇 在控制系統(tǒng)中

54、，用來克服干在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對被控變量的影響，控制作用的擾對被控變量的影響，控制作用的變量就是操縱變量。在化工和煉油變量就是操縱變量。在化工和煉油生產(chǎn)過程中，最常見的操縱變量是生產(chǎn)過程中，最常見的操縱變量是流量流量，也有，也有電壓電壓、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速等。等。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計 如圖如圖2-112-11所示的換熱器，已所示的換熱器，已知被控變量是被加熱介質(zhì)的溫度，知被控變量是被加熱介質(zhì)的溫度，那么，是選擇載熱體流量作為操縱那么，是選擇載熱體流量作為操縱變量，還是選擇被加熱介質(zhì)的流量變量，還是選擇被加熱介質(zhì)的流量作為操縱變量呢？這主要應(yīng)從作為操縱變量呢？這主要

55、應(yīng)從工藝工藝合理性合理性以及以及被控對象的特性被控對象的特性方面考方面考慮。慮。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計圖圖2-11 2-11 換熱器示意圖換熱器示意圖第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計考慮工藝合理性考慮工藝合理性：對于圖：對于圖2-ll2-ll所示所示的換熱器，無論哪一個流量發(fā)的換熱器，無論哪一個流量發(fā)生變化，都會使被控變量生變化，都會使被控變量( (溫度溫度) )發(fā)生變化。從工藝合理性考慮，發(fā)生變化。從工藝合理性考慮，應(yīng)選擇應(yīng)選擇載熱體流量作為操縱變載熱體流量作為操縱變量量。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計 因?yàn)?，被加熱介質(zhì)

56、一般為生產(chǎn)過程因?yàn)?，被加熱介質(zhì)一般為生產(chǎn)過程中需要使用的物料，用它的變化來中需要使用的物料，用它的變化來克服干擾因素的影響，達(dá)到溫度控克服干擾因素的影響，達(dá)到溫度控制的目的，勢必會影響生產(chǎn)工藝過制的目的，勢必會影響生產(chǎn)工藝過程中的負(fù)荷，甚至影響正常的生產(chǎn)。程中的負(fù)荷，甚至影響正常的生產(chǎn)。而載熱體是用來加熱介質(zhì)的，它不而載熱體是用來加熱介質(zhì)的，它不直接影響生產(chǎn)所需物料量。直接影響生產(chǎn)所需物料量。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計 圖圖2-122-12所示為某物料濃度的所示為某物料濃度的控制系統(tǒng)。應(yīng)選擇控制系統(tǒng)。應(yīng)選擇稀釋水流量稀釋水流量作為作為操縱變量，而應(yīng)盡量操縱變量，而應(yīng)盡

57、量避免避免選用主物選用主物料流量作為操縱變量。料流量作為操縱變量。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計圖圖2-12 2-12 濃度控制系統(tǒng)濃度控制系統(tǒng)第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計考慮被控對象特性考慮被控對象特性：操縱變量選擇：操縱變量選擇的一般原則為：的一般原則為：(1)(1) 使被控對象控制通道的放大系使被控對象控制通道的放大系數(shù)較大，時間常數(shù)較小，純滯后數(shù)較大，時間常數(shù)較小，純滯后時間越小越好；時間越小越好；(2)(2) 使被控對象干擾通道的放大系使被控對象干擾通道的放大系數(shù)盡可能小，時間常數(shù)越大越好。數(shù)盡可能小，時間常數(shù)越大越好。第二節(jié)第二節(jié)單回路

58、控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計2-13 2-13 煉油和化工生產(chǎn)中最常見的煉油和化工生產(chǎn)中最常見的精餾過程示意圖精餾過程示意圖第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計 根據(jù)工藝需要，選擇提餾段某根據(jù)工藝需要，選擇提餾段某板板( (一般為溫度變化最靈敏的板一般為溫度變化最靈敏的板靈敏板靈敏板) )的溫度作為被控變量，那的溫度作為被控變量，那么，控制系統(tǒng)的任務(wù)就是維持靈敏么，控制系統(tǒng)的任務(wù)就是維持靈敏板溫度的恒定，使塔底產(chǎn)品的成分板溫度的恒定，使塔底產(chǎn)品的成分滿足工藝要求。滿足工藝要求。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計 在這個過程中，影響提餾段靈在這個過程中，影

59、響提餾段靈敏板溫度的因素有：進(jìn)料流量敏板溫度的因素有：進(jìn)料流量qvqv、進(jìn)料成分進(jìn)料成分X X、進(jìn)料溫度、進(jìn)料溫度T T、回流流量、回流流量qvqv、回流溫度、回流溫度T T、加熱蒸汽流量、加熱蒸汽流量qvqv、冷凝器冷卻溫度以及塔壓冷凝器冷卻溫度以及塔壓p p等等。等等。從工藝角度分析可以知道，除回流從工藝角度分析可以知道，除回流量和加熱蒸汽量外，其他參數(shù)都不量和加熱蒸汽量外，其他參數(shù)都不允許作為操縱變量。允許作為操縱變量。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計 根據(jù)對象特性對控制質(zhì)量的影響，根據(jù)對象特性對控制質(zhì)量的影響，在回流量與加熱蒸汽量兩者之間，選在回流量與加熱蒸汽量兩者

60、之間，選擇加熱蒸汽量作為操縱變量更為恰當(dāng)。擇加熱蒸汽量作為操縱變量更為恰當(dāng)。因?yàn)榛亓髁颗c提餾段溫度之間的控制因?yàn)榛亓髁颗c提餾段溫度之間的控制通道時間常數(shù)太大，而加熱蒸汽且與通道時間常數(shù)太大，而加熱蒸汽且與提餾段溫度之間的控制通道時間常數(shù)提餾段溫度之間的控制通道時間常數(shù)小，滯后小，這樣構(gòu)成的控制系統(tǒng)克小，滯后小，這樣構(gòu)成的控制系統(tǒng)克服干擾能力強(qiáng)，可以獲得良好的控制服干擾能力強(qiáng)，可以獲得良好的控制質(zhì)量。質(zhì)量。第二節(jié)第二節(jié)單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計 (3) (3) 檢測變送環(huán)節(jié)的影響檢測變送環(huán)節(jié)的影響 檢測變送環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中起檢測變送環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中起著著獲取信息獲取信息和和傳送信息