化工自動(dòng)化及儀表-2過(guò)程特性課件

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1過(guò)程：需要實(shí)現(xiàn)控制的生產(chǎn)過(guò)程過(guò)程特性：是指被控過(guò)程的輸入變量（操縱變量或擾動(dòng)變量）發(fā)生變化時(shí)，其輸出變量（被控變量）隨時(shí)間的變化規(guī)律。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖過(guò)程：需要實(shí)現(xiàn)控制的生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖2本章研究?jī)?nèi)容：

2.1過(guò)程特性的類型2.2過(guò)程的數(shù)學(xué)描述2.3過(guò)程特性的一般分析2.4過(guò)程特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法本章研究?jī)?nèi)容：2.1過(guò)程特性的類型2.232.1過(guò)程特性的類型通道：輸入變量對(duì)輸出變量的作用途徑控制通道：操縱變量q(t)對(duì)被控變量c(t)的作用途徑擾動(dòng)通道：擾動(dòng)變量f(t)對(duì)被控變量c(t)的作用途徑廣義對(duì)象特性主要通過(guò)響應(yīng)曲線來(lái)呈現(xiàn)。控制通道的響應(yīng)曲線：當(dāng)控制作用u(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)通道的響應(yīng)曲線：當(dāng)擾動(dòng)f(t)做階躍變化（控制作用u(t)不變）時(shí)，被控變量的時(shí)間特性c(t)2.1過(guò)程特性的類型通道：輸入變量對(duì)輸出變量的作用途徑4響應(yīng)曲線有四種：有自衡的非振蕩過(guò)程無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程響應(yīng)曲線有四種：有自衡的非振蕩過(guò)程無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程5有自衡的振蕩過(guò)程具有反向特性的過(guò)程有自衡的振蕩過(guò)程具有反向特性的過(guò)程6有自衡的非振蕩過(guò)程如下圖中的液位過(guò)程有自衡的非振蕩過(guò)程如下圖中的液位過(guò)程7無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程如下圖中的液位過(guò)程無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程如下圖中的液位過(guò)程82.2過(guò)程的數(shù)學(xué)描述

要研究被控過(guò)程的特性，就必須知道被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型（參量模型），也就是對(duì)過(guò)程的數(shù)學(xué)描述。數(shù)學(xué)模型：表示具體過(guò)程的輸入、輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式。其形式有：微分方程式、偏微分方程式、狀態(tài)方程換熱器2.2過(guò)程的數(shù)學(xué)描述要研究被控過(guò)程的特性，9由前面的分析可得：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：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、操縱變量增量和擾動(dòng)變量增量。由前面的分析可得：一階被控過(guò)程擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)方程為：其中：102.3過(guò)程特性的一般分析

描述有自衡非振蕩過(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τ。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)Kf2.3過(guò)程特性的一般分析描述有自衡非振蕩11(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Δc與操縱變量Δq在時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)之比控制通道的放大系數(shù)Ko反映了過(guò)程以初始工作點(diǎn)為基準(zhǔn)的被控變量與操縱變量在過(guò)程結(jié)束時(shí)的變化量之間的關(guān)系，是一個(gè)穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)。(1)控制通道的放大系數(shù)Ko定義：在擾動(dòng)變量f(t)不變12過(guò)程的放大系數(shù)受負(fù)荷和工作點(diǎn)的影響。在相同的負(fù)荷下，Ko隨工作點(diǎn)的增大而減小；在相同的工作點(diǎn)下，Ko隨負(fù)荷的增大而減小。蒸汽加熱器的穩(wěn)態(tài)特性在某一負(fù)荷下，蒸汽量不同，達(dá)到平衡的出口溫度不同；反之，在蒸汽量相同，處理量不同的情況下，達(dá)到平衡的出口溫度也不同。選擇Ko的原則：希望Ko稍大。過(guò)程的放大系數(shù)受負(fù)荷和工作點(diǎn)的影響。蒸汽加熱器的穩(wěn)態(tài)特性在某13(2)

擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf定義：在操縱變量q(t)不變的情況下，過(guò)程受到幅度為Δf的階躍擾動(dòng)作用，過(guò)程從原有穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)被控變量的變化量與擾動(dòng)幅度Δf之比。很明顯，希望Kf小一些。但是，擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響還要考慮Δf的大小。(2)擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf定義：在操縱變量q(t)不變14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。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15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%所需要的時(shí)間。定義2：在階躍外作用下，一個(gè)阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量保持初始變化速度，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。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16任何過(guò)程都具有儲(chǔ)存物料或能量的能力，如過(guò)程的容量有熱容、液容、氣容。任何過(guò)程在物料或能量的傳遞過(guò)程中，也總是存在著一定的阻力，如熱阻、液阻、氣阻。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)程都具有儲(chǔ)存物料或能量的能力，如過(guò)程的17（1）控制通道時(shí)間常數(shù)To對(duì)控制系統(tǒng)的影響在相同的控制作用下，過(guò)程的時(shí)間常數(shù)To越大，被控變量的變化越緩慢。To越小，被控變量的變化越快。希望To適中

（2）擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)Tf對(duì)控制系統(tǒng)的影響過(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)行濾波。希望Tf大（1）控制通道時(shí)間常數(shù)To對(duì)控制系統(tǒng)的影響（2）擾動(dòng)通道時(shí)18時(shí)滯τ定義：在輸入變化后，輸出不是隨之立即變化，而是需要間隔一段時(shí)間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為時(shí)滯現(xiàn)象。具有純滯后時(shí)間的階躍響應(yīng)曲線

定義中的時(shí)滯包括了兩種滯后：純滯后、容量滯后。

實(shí)際工業(yè)過(guò)程中的滯后時(shí)間是指純滯后與容量滯后時(shí)間之和時(shí)滯τ定義：在輸入變化后，輸出不是隨之立即變化，而是需要間隔19純滯后τo是由于信息的傳輸需要時(shí)間而引起的。它可能起因于被控變量c(t)至測(cè)量值y(t)的檢測(cè)通道，也可能起因于控制信號(hào)u(t)至操縱變量q(t)的一側(cè)。物料傳輸純滯后τo是由于信息的傳輸需要時(shí)間而引起的。它可能起因于被控20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遞需要通過(guò)一定的阻力而引起的。容量滯后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遞需要通21（1）時(shí)滯對(duì)控制通道的影響

希望τo小。時(shí)滯τ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τ/T來(lái)衡量的。

的過(guò)程較易控制；τ/T較大時(shí)，需要在一定程度上降低控制系統(tǒng)的指標(biāo)；τ/T>(0.5~0.6)時(shí)，需用特殊控制規(guī)律。（1）時(shí)滯對(duì)控制通道的影響希望τo小。時(shí)滯τ22（2）時(shí)滯對(duì)擾動(dòng)通道的影響

一般地，在不同變量的過(guò)程中，液位和壓力過(guò)程的τ較小，流量過(guò)程的τ和T都較小，溫度過(guò)程的τc較大，成分過(guò)程的τo和τc都較大。

對(duì)τo無(wú)要求。

希望τc大。（2）時(shí)滯對(duì)擾動(dòng)通道的影響一般地，在不同變量232.4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)模型通過(guò)求解得到，但是在生產(chǎn)過(guò)程中，很多過(guò)程的數(shù)學(xué)模型是很難得到的。

工程上一般用實(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)，通過(guò)該過(guò)程的輸出變量進(jìn)行測(cè)量和記錄，然后通過(guò)分析整理得到過(guò)程特性參數(shù)。

2.4過(guò)程特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法過(guò)程特性參24階躍擾動(dòng)法（反應(yīng)曲線法）

當(dāng)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在過(guò)程的輸入端施加一個(gè)幅度已知的階躍擾動(dòng)，測(cè)量和記錄過(guò)程輸出變量的數(shù)值，畫出輸出變量隨時(shí)間變化的反應(yīng)曲線，根據(jù)響應(yīng)曲線求得過(guò)程特性參數(shù)。階躍擾動(dòng)法（反應(yīng)曲線法）當(dāng)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)25放大系數(shù)

K=B/A

時(shí)間常數(shù)

T時(shí)滯

τ一階系統(tǒng)放大系數(shù)K=B/A一階系統(tǒng)26放大系數(shù)K:

K=[c(t)-c(0)]/A

時(shí)間常數(shù)T:

T=2、3之間的距離純滯后τ:

τ=1、2之間的距離二階系統(tǒng)放大系數(shù)K:二階系統(tǒng)27階躍擾動(dòng)法直觀、簡(jiǎn)便易行、所以得到了廣泛的應(yīng)用。但是許多過(guò)程較復(fù)雜、擾動(dòng)因素較多，會(huì)影響測(cè)試精度；另外，由于工藝條件的限制，階躍擾動(dòng)幅度不能太大，所以在實(shí)施擾動(dòng)法時(shí)應(yīng)該在系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定的情況下進(jìn)行。階躍擾動(dòng)法直觀、簡(jiǎn)便易行、所以得到了廣泛的28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29過(guò)程：需要實(shí)現(xiàn)控制的生產(chǎn)過(guò)程過(guò)程特性：是指被控過(guò)程的輸入變量（操縱變量或擾動(dòng)變量）發(fā)生變化時(shí)，其輸出變量（被控變量）隨時(shí)間的變化規(guī)律。簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖過(guò)程：需要實(shí)現(xiàn)控制的生產(chǎn)過(guò)程簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖30本章研究?jī)?nèi)容：

2.1過(guò)程特性的類型2.2過(guò)程的數(shù)學(xué)描述2.3過(guò)程特性的一般分析2.4過(guò)程特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法本章研究?jī)?nèi)容：2.1過(guò)程特性的類型2.2312.1過(guò)程特性的類型通道：輸入變量對(duì)輸出變量的作用途徑控制通道：操縱變量q(t)對(duì)被控變量c(t)的作用途徑擾動(dòng)通道：擾動(dòng)變量f(t)對(duì)被控變量c(t)的作用途徑廣義對(duì)象特性主要通過(guò)響應(yīng)曲線來(lái)呈現(xiàn)?？刂仆ǖ赖捻憫?yīng)曲線：當(dāng)控制作用u(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)通道的響應(yīng)曲線：當(dāng)擾動(dòng)f(t)做階躍變化（控制作用u(t)不變）時(shí)，被控變量的時(shí)間特性c(t)2.1過(guò)程特性的類型通道：輸入變量對(duì)輸出變量的作用途徑32響應(yīng)曲線有四種：有自衡的非振蕩過(guò)程無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程響應(yīng)曲線有四種：有自衡的非振蕩過(guò)程無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程33有自衡的振蕩過(guò)程具有反向特性的過(guò)程有自衡的振蕩過(guò)程具有反向特性的過(guò)程34有自衡的非振蕩過(guò)程如下圖中的液位過(guò)程有自衡的非振蕩過(guò)程如下圖中的液位過(guò)程35無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程如下圖中的液位過(guò)程無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程如下圖中的液位過(guò)程362.2過(guò)程的數(shù)學(xué)描述

要研究被控過(guò)程的特性，就必須知道被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型（參量模型），也就是對(duì)過(guò)程的數(shù)學(xué)描述。數(shù)學(xué)模型：表示具體過(guò)程的輸入、輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式。其形式有：微分方程式、偏微分方程式、狀態(tài)方程換熱器2.2過(guò)程的數(shù)學(xué)描述要研究被控過(guò)程的特性，37由前面的分析可得：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：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、操縱變量增量和擾動(dòng)變量增量。由前面的分析可得：一階被控過(guò)程擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)方程為：其中：382.3過(guò)程特性的一般分析

描述有自衡非振蕩過(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τ。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)Kf2.3過(guò)程特性的一般分析描述有自衡非振蕩39(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Δc與操縱變量Δq在時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)之比控制通道的放大系數(shù)Ko反映了過(guò)程以初始工作點(diǎn)為基準(zhǔn)的被控變量與操縱變量在過(guò)程結(jié)束時(shí)的變化量之間的關(guān)系，是一個(gè)穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)。(1)控制通道的放大系數(shù)Ko定義：在擾動(dòng)變量f(t)不變40過(guò)程的放大系數(shù)受負(fù)荷和工作點(diǎn)的影響。在相同的負(fù)荷下，Ko隨工作點(diǎn)的增大而減??；在相同的工作點(diǎn)下，Ko隨負(fù)荷的增大而減小。蒸汽加熱器的穩(wěn)態(tài)特性在某一負(fù)荷下，蒸汽量不同，達(dá)到平衡的出口溫度不同；反之，在蒸汽量相同，處理量不同的情況下，達(dá)到平衡的出口溫度也不同。選擇Ko的原則：希望Ko稍大。過(guò)程的放大系數(shù)受負(fù)荷和工作點(diǎn)的影響。蒸汽加熱器的穩(wěn)態(tài)特性在某41(2)

擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf定義：在操縱變量q(t)不變的情況下，過(guò)程受到幅度為Δf的階躍擾動(dòng)作用，過(guò)程從原有穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)被控變量的變化量與擾動(dòng)幅度Δf之比。很明顯，希望Kf小一些。但是，擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響還要考慮Δf的大小。(2)擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf定義：在操縱變量q(t)不變42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)?？刂七^(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。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43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%所需要的時(shí)間。定義2：在階躍外作用下，一個(gè)阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量保持初始變化速度，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。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44任何過(guò)程都具有儲(chǔ)存物料或能量的能力，如過(guò)程的容量有熱容、液容、氣容。任何過(guò)程在物料或能量的傳遞過(guò)程中，也總是存在著一定的阻力，如熱阻、液阻、氣阻。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)程都具有儲(chǔ)存物料或能量的能力，如過(guò)程的45（1）控制通道時(shí)間常數(shù)To對(duì)控制系統(tǒng)的影響在相同的控制作用下，過(guò)程的時(shí)間常數(shù)To越大，被控變量的變化越緩慢。To越小，被控變量的變化越快。希望To適中

（2）擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)Tf對(duì)控制系統(tǒng)的影響過(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)行濾波。希望Tf大（1）控制通道時(shí)間常數(shù)To對(duì)控制系統(tǒng)的影響（2）擾動(dòng)通道時(shí)46時(shí)滯τ定義：在輸入變化后，輸出不是隨之立即變化，而是需要間隔一段時(shí)間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為時(shí)滯現(xiàn)象。具有純滯后時(shí)間的階躍響應(yīng)曲線

定義中的時(shí)滯包括了兩種滯后：純滯后、容量滯后。

實(shí)際工業(yè)過(guò)程中的滯后時(shí)間是指純滯后與容量滯后時(shí)間之和時(shí)滯τ定義：在輸入變化后，輸出不是隨之立即變化，而是需要間隔47純滯后τo是由于信息的傳輸需要時(shí)間而引起的。它可能起因于被控變量c(t)至測(cè)量值y(t)的檢測(cè)通道，也可能起因于控制信號(hào)u(t)至操縱變量q(t)的一側(cè)。物料傳輸純滯后τo是由于信息的傳輸需要時(shí)間而引起的。它可能起因于被控48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遞需要通過(guò)一定的阻力而引起的。容量滯后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遞需要通49（1）時(shí)滯對(duì)控制通道的影響

希望τo小。時(shí)滯τ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τ/T來(lái)衡量的。

的過(guò)程較易控制；τ/T較大時(shí)，需要在一定程度上降低控制系統(tǒng)的指標(biāo)；τ/T>(0.5~0.6)時(shí)，需用特殊控制規(guī)律。（1）時(shí)滯對(duì)控制通道的影響希望τo小。時(shí)滯τ50（2）時(shí)滯對(duì)擾動(dòng)通道的影響

一般地，在不同變量的過(guò)程中，液位和壓力過(guò)程的τ較小，流量過(guò)程的τ和T都較小，溫度過(guò)程的τc較大，成分過(guò)