化工自動(dòng)化及儀表第二章ppt課件

1、第二章 過(guò)程特性華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動(dòng)化系.過(guò)程：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖過(guò)程特性：需求實(shí)現(xiàn)控制的機(jī)器、設(shè)備或消費(fèi)過(guò)程是指被控過(guò)程的輸入變量發(fā)生變化時(shí)，其輸出變量隨時(shí)間的變化規(guī)律。支配變量、擾動(dòng)變量被控變量.研討過(guò)程特性的必要性：為了更好地實(shí)施控制.本章內(nèi)容： 2.1 過(guò)程特性的類(lèi)型2.2 過(guò)程的數(shù)學(xué)描畫(huà)2.3 過(guò)程特性的普通分析2.4 過(guò)程特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法.2.1 過(guò)程特性的類(lèi)型通道：擾動(dòng)通道：控制通道：輸入變量對(duì)輸出變量的作用途徑支配變量q(t)對(duì)被控變量c(t)的作用途徑擾動(dòng)變量f(t)對(duì)被控變量c(t)的作用途徑支配變量、擾動(dòng)變量被控變量.2.1 過(guò)程特性的類(lèi)型對(duì)象特性主要經(jīng)過(guò)呼應(yīng)曲線來(lái)

2、呈現(xiàn)控制通道的呼應(yīng)曲線：當(dāng)支配變量q(t)做階躍變化擾動(dòng)f(t)不變時(shí)被控變量的時(shí)間特性c(t)擾動(dòng)通道的呼應(yīng)曲線：當(dāng)擾動(dòng)變量f(t)做階躍變化控制造用q(t) 不變時(shí)被控變量的時(shí)間特性c(t).呼應(yīng)曲線的種類(lèi)：(在階躍擾動(dòng)作用下)有自衡的非振蕩過(guò)程無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程.有自衡的振蕩過(guò)程具有反向特性的過(guò)程.有自衡的非振蕩過(guò)程如以下圖中的液位過(guò)程.無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程如以下圖中的液位過(guò)程.2.2 過(guò)程的數(shù)學(xué)描畫(huà) 要研討被控過(guò)程的特性，就必需知道被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，也就是對(duì)過(guò)程的數(shù)學(xué)描畫(huà)。數(shù)學(xué)模型：表示詳細(xì)過(guò)程的輸入、輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式。其方式有：微分方程式、偏微分方程式、形狀方程.2.2 過(guò)程的數(shù)

3、學(xué)描畫(huà)蒸汽加熱器建立數(shù)學(xué)模型的方法：機(jī)理建模法、實(shí)驗(yàn)測(cè)定法能量平衡方程等.由前面的分析略可得：一階被控過(guò)程控制通道的動(dòng)態(tài)方程為：一階被控過(guò)程擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)方程為：有純滯后.其中： 分別為控制通道、擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)； 分別為被控變量增量、支配變量增量和擾動(dòng)變量增量。.2.3 過(guò)程特性的普通分析 描畫(huà)有自衡非振蕩過(guò)程的特性參數(shù)有放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T和時(shí)滯。放大系數(shù)K(1) 控制通道的放大系數(shù)Ko(2) 擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf.(1) 控制通道的放大系數(shù)Ko定義：在擾動(dòng)變量f(t)不變的情況下，被控變量的變化量c(t)與支配變量的變化量q(t)在時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)之比. 控制通道的放大系

4、數(shù)Ko反映了過(guò)程以初始任務(wù)點(diǎn)為基準(zhǔn)的被控變量與支配變量在過(guò)程變化終了時(shí)的變化量之間的關(guān)系，是一個(gè)穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)。初始任務(wù)點(diǎn)：過(guò)程原有的穩(wěn)定形狀。消費(fèi)負(fù)荷：過(guò)程的消費(fèi)才干或處置量。.在負(fù)荷不變的情況下，蒸汽量不同，到達(dá)平衡的出口溫度不同；反之，在蒸汽量一樣，處置量負(fù)荷不同的情況下，到達(dá)平衡的出口溫度也不同。F.過(guò)程的放大系數(shù)是變化的，受負(fù)荷和任務(wù)點(diǎn)的影響。在一樣的負(fù)荷下， Ko隨任務(wù)點(diǎn)的增大而減??；在一樣的任務(wù)點(diǎn)下，Ko隨負(fù)荷的增大而減小。蒸汽加熱器的穩(wěn)態(tài)特性Ko該如何選擇呢？.選擇Ko的原那么：希望Ko大一些。.(2) 擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf定義：在支配變量q(t)不變的情況下，過(guò)程遭到幅度為f

5、的階躍擾動(dòng)作用，過(guò)程從原有穩(wěn)定形狀到達(dá)新的穩(wěn)定形狀時(shí)被控變量的變化量 與擾動(dòng)幅度f(wàn)之比。.(2) 擾動(dòng)通道的放大系數(shù)KfKf該如何選擇呢？Kf越大，闡明在某一固定的f下，被控變量的變化會(huì)大；反之亦然。很顯然，希望Kf小。.時(shí)間常數(shù)T 時(shí)間常數(shù)T是表征被控變量變化快慢的動(dòng)態(tài)參數(shù)。 控制過(guò)程中時(shí)間常數(shù)的概念來(lái)源于電工學(xué)中時(shí)間常數(shù)的概念。 在阻容環(huán)節(jié)的充電過(guò)程中，T=RC表征了充電過(guò)程的快慢。.定義1：在階躍外作用下，一個(gè)阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量完成全部變化量的63.2%所需求的時(shí)間,稱(chēng)為該阻容環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。定義2：在階躍外作用下，一個(gè)阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量堅(jiān)持初始變化速度，到達(dá)新的穩(wěn)態(tài)值所需求的時(shí)間。

6、.任何過(guò)程都具有儲(chǔ)存物料或能量的才干，如過(guò)程的容量有熱容、液容、氣容。因此，可以用過(guò)程容量系數(shù)C與阻力系數(shù)R的乘積來(lái)表征過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。任何過(guò)程在物料或能量的傳送過(guò)程中，也總是存在著一定的阻力，如熱阻、液阻、氣阻。.1控制通道時(shí)間常數(shù)To對(duì)控制系統(tǒng)的影響希望To適中在一樣的控制造用下，過(guò)程的時(shí)間常數(shù)To越大，To越小，被控變量的變化越緩慢。被控變量的變化越快。. 2擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)Tf 對(duì)控制系統(tǒng)的影響希望Tf大過(guò)程的時(shí)間常數(shù)Tf 越大越好相當(dāng)于對(duì)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)展濾波。對(duì)被控變量的影響越小.純滯后定義：在過(guò)程的輸入變量發(fā)生變化后，輸出變量不是立刻變化，而是隔一段時(shí)間才開(kāi)場(chǎng)發(fā)生變化，這種景象稱(chēng)為純滯

7、后時(shí)滯景象。具有純滯后時(shí)間的階躍呼應(yīng)曲線 定義中的純滯后包括了兩種滯后：純滯后、容量滯后。 實(shí)踐工業(yè)過(guò)程中的純滯后時(shí)間是指純滯后與容量滯后時(shí)間之和.純滯后o是由于信息的傳送需求時(shí)間而引起的。物料傳輸.1能夠源于被控變量c(t)至丈量值y(t)的檢測(cè)通道；2能夠源于控制信號(hào)u(t)至支配變量q(t)的一側(cè)。.容量滯后是多容量過(guò)程的固有特性，是由于物料或能量的傳送都會(huì)遇到一定的阻力而引起的。容量滯后.1純滯后對(duì)控制通道的影響 希望o小。純滯后對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的影響，是以其與時(shí)間常數(shù)的比值/T來(lái)衡量的。/T(0.50.6)時(shí)，需用特殊控制規(guī)律。/T較大時(shí)，需求在一定程度上降低控制系統(tǒng)的控制目的才可以確

8、保對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。 的過(guò)程較易控制；.2純滯后對(duì)擾動(dòng)通道的影響 對(duì)o無(wú)要求。 希望c大。.2.4 過(guò)程特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法 過(guò)程特性參數(shù)可以由過(guò)程的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過(guò)求解得到。但是在消費(fèi)過(guò)程中，很多過(guò)程的數(shù)學(xué)模型是不易得到的。 .工程上普通用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)測(cè)定過(guò)程特性參數(shù)。最簡(jiǎn)便的方法就是直接在原設(shè)備或機(jī)器中施加一定的擾動(dòng)，經(jīng)過(guò)對(duì)該過(guò)程的輸出變量進(jìn)展丈量和記錄，然后經(jīng)過(guò)分析整理得到過(guò)程特性參數(shù)。 .階躍擾動(dòng)法反響曲線法 當(dāng)過(guò)程處于穩(wěn)定形狀時(shí)，在過(guò)程的輸入端施加一個(gè)幅度知的階躍擾動(dòng)，丈量和記錄過(guò)程輸出變量的數(shù)值，畫(huà)出輸出變量隨時(shí)間變化的呼應(yīng)曲線，根據(jù)呼應(yīng)曲線求得過(guò)程特性參數(shù)。.放大系數(shù) K=B/A 時(shí)間常數(shù) T純滯后 一階系統(tǒng).放大系數(shù)K: K=c(t)-c(0)/A 時(shí)間常數(shù)T: T=2、3之間的間隔純滯后 : =1、2之間的間隔二階系統(tǒng).階躍擾動(dòng)法簡(jiǎn)便易行、且比較直觀、所以得到了廣泛的運(yùn)用。但是針對(duì)較復(fù)雜、擾動(dòng)要素較多的過(guò)程，會(huì)影響測(cè)試精度；另外