化工自動化及儀表-2過程特性課件

第二章過程特性華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動化系第二章過程特性華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動化系1過程：需要實(shí)現(xiàn)控制的生產(chǎn)過程過程特性：是指被控過程的輸入變量（操縱變量或擾動變量）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。簡單控制系統(tǒng)方塊圖過程：需要實(shí)現(xiàn)控制的生產(chǎn)過程簡單控制系統(tǒng)方塊圖2本章研究內(nèi)容：

2.1過程特性的類型2.2過程的數(shù)學(xué)描述2.3過程特性的一般分析2.4過程特性的實(shí)驗(yàn)測定方法本章研究內(nèi)容：2.1過程特性的類型2.232.1過程特性的類型通道：輸入變量對輸出變量的作用途徑控制通道：操縱變量q(t)對被控變量c(t)的作用途徑擾動通道：擾動變量f(t)對被控變量c(t)的作用途徑廣義對象特性主要通過響應(yīng)曲線來呈現(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f(t)不變）時(shí)，被控變量的時(shí)間特性c(t)擾動通道的響應(yīng)曲線：當(dāng)擾動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過程特性的類型通道：輸入變量對輸出變量的作用途徑4響應(yīng)曲線有四種：有自衡的非振蕩過程無自衡的非振蕩過程響應(yīng)曲線有四種：有自衡的非振蕩過程無自衡的非振蕩過程5有自衡的振蕩過程具有反向特性的過程有自衡的振蕩過程具有反向特性的過程6有自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程有自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程7無自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程無自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程82.2過程的數(shù)學(xué)描述

要研究被控過程的特性，就必須知道被控過程的數(shù)學(xué)模型（參量模型），也就是對過程的數(shù)學(xué)描述。數(shù)學(xué)模型：表示具體過程的輸入、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過程的數(shù)學(xué)描述要研究被控過程的特性，9由前面的分析可得：一階被控過程控制通道的動態(tài)方程為：一階被控過程擾動通道的動態(tài)方程為：其中：分別為控制通道、擾動通道的時(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變量增量。由前面的分析可得：一階被控過程擾動通道的動態(tài)方程為：其中：102.3過程特性的一般分析

描述有自衡非振蕩過程的特性參數(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)擾動通道的放大系數(shù)Kf2.3過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)間趨于無窮大時(shí)之比控制通道的放大系數(shù)Ko反映了過程以初始工作點(diǎn)為基準(zhǔn)的被控變量與操縱變量在過程結(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：在擾動變量f(t)不變12過程的放大系數(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，過程受到幅度為Δf的階躍擾動作用，過程從原有穩(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幅度Δf之比。很明顯，希望Kf小一些。但是，擾動對系統(tǒng)的影響還要考慮Δf的大小。(2)擾動通道的放大系數(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態(tài)參數(shù)?？刂七^程中時(shí)間常數(shù)的概念來源于電工學(xué)中時(shí)間常數(shù)的概念。在阻容環(huán)節(jié)的充電過程中，T=RC表征了充電過程的快慢。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任何過程都具有儲存物料或能量的能力，如過程的容量有熱容、液容、氣容。任何過程在物料或能量的傳遞過程中，也總是存在著一定的阻力，如熱阻、液阻、氣阻。因此，可以用過程容量系數(shù)C與阻力系數(shù)R的乘積來表征過程的時(shí)間常數(shù)。任何過程都具有儲存物料或能量的能力，如過程的17（1）控制通道時(shí)間常數(shù)To對控制系統(tǒng)的影響在相同的控制作用下，過程的時(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）擾動通道時(shí)間常數(shù)Tf對控制系統(tǒng)的影響過程的時(shí)間常數(shù)Tf越大越好，相當(dāng)于對擾動信號進(jìn)行濾波。希望Tf大（1）控制通道時(shí)間常數(shù)To對控制系統(tǒng)的影響（2）擾動通道時(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)至測量值y(t)的檢測通道，也可能起因于控制信號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程的固有特性，是由于物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的。容量滯后容量滯后是多容量過程的固有特性，是由于物料或能量的傳遞需要通21（1）時(shí)滯對控制通道的影響

希望τo小。時(shí)滯τ對系統(tǒng)控制過程的影響，是以其與時(shí)間常數(shù)的比值τ/T來衡量的。

的過程較易控制；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)滯對控制通道的影響希望τo小。時(shí)滯τ22（2）時(shí)滯對擾動通道的影響

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

對τo無要求。

希望τc大。（2）時(shí)滯對擾動通道的影響一般地，在不同變量232.4過程特性的實(shí)驗(yàn)測定方法

過程特性參數(shù)可以由過程的數(shù)學(xué)模型通過求解得到，但是在生產(chǎn)過程中，很多過程的數(shù)學(xué)模型是很難得到的。

工程上一般用實(shí)驗(yàn)方法來測定過程特性參數(shù)。最簡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，通過該過程的輸出變量進(jìn)行測量和記錄，然后通過分析整理得到過程特性參數(shù)。

2.4過程特性的實(shí)驗(yàn)測定方法過程特性參24階躍擾動法（反應(yīng)曲線法）

當(dāng)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在過程的輸入端施加一個(gè)幅度已知的階躍擾動，測量和記錄過程輸出變量的數(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)曲線求得過程特性參數(shù)。階躍擾動法（反應(yīng)曲線法）當(dāng)過程處于穩(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階躍擾動法直觀、簡便易行、所以得到了廣泛的應(yīng)用。但是許多過程較復(fù)雜、擾動因素較多，會影響測試精度；另外，由于工藝條件的限制，階躍擾動幅度不能太大，所以在實(shí)施擾動法時(shí)應(yīng)該在系統(tǒng)相對穩(wěn)定的情況下進(jìn)行。階躍擾動法直觀、簡便易行、所以得到了廣泛的28第二章過程特性華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動化系第二章過程特性華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動化系29過程：需要實(shí)現(xiàn)控制的生產(chǎn)過程過程特性：是指被控過程的輸入變量（操縱變量或擾動變量）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。簡單控制系統(tǒng)方塊圖過程：需要實(shí)現(xiàn)控制的生產(chǎn)過程簡單控制系統(tǒng)方塊圖30本章研究內(nèi)容：

2.1過程特性的類型2.2過程的數(shù)學(xué)描述2.3過程特性的一般分析2.4過程特性的實(shí)驗(yàn)測定方法本章研究內(nèi)容：2.1過程特性的類型2.2312.1過程特性的類型通道：輸入變量對輸出變量的作用途徑控制通道：操縱變量q(t)對被控變量c(t)的作用途徑擾動通道：擾動變量f(t)對被控變量c(t)的作用途徑廣義對象特性主要通過響應(yīng)曲線來呈現(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f(t)不變）時(shí)，被控變量的時(shí)間特性c(t)擾動通道的響應(yīng)曲線：當(dāng)擾動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過程特性的類型通道：輸入變量對輸出變量的作用途徑32響應(yīng)曲線有四種：有自衡的非振蕩過程無自衡的非振蕩過程響應(yīng)曲線有四種：有自衡的非振蕩過程無自衡的非振蕩過程33有自衡的振蕩過程具有反向特性的過程有自衡的振蕩過程具有反向特性的過程34有自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程有自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程35無自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程無自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程362.2過程的數(shù)學(xué)描述

要研究被控過程的特性，就必須知道被控過程的數(shù)學(xué)模型（參量模型），也就是對過程的數(shù)學(xué)描述。數(shù)學(xué)模型：表示具體過程的輸入、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過程的數(shù)學(xué)描述要研究被控過程的特性，37由前面的分析可得：一階被控過程控制通道的動態(tài)方程為：一階被控過程擾動通道的動態(tài)方程為：其中：分別為控制通道、擾動通道的時(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變量增量。由前面的分析可得：一階被控過程擾動通道的動態(tài)方程為：其中：382.3過程特性的一般分析

描述有自衡非振蕩過程的特性參數(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)擾動通道的放大系數(shù)Kf2.3過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)間趨于無窮大時(shí)之比控制通道的放大系數(shù)Ko反映了過程以初始工作點(diǎn)為基準(zhǔn)的被控變量與操縱變量在過程結(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：在擾動變量f(t)不變40過程的放大系數(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?。辉谙嗤墓ぷ鼽c(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，過程受到幅度為Δf的階躍擾動作用，過程從原有穩(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幅度Δf之比。很明顯，希望Kf小一些。但是，擾動對系統(tǒng)的影響還要考慮Δf的大小。(2)擾動通道的放大系數(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態(tài)參數(shù)。控制過程中時(shí)間常數(shù)的概念來源于電工學(xué)中時(shí)間常數(shù)的概念。在阻容環(huán)節(jié)的充電過程中，T=RC表征了充電過程的快慢。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任何過程都具有儲存物料或能量的能力，如過程的容量有熱容、液容、氣容。任何過程在物料或能量的傳遞過程中，也總是存在著一定的阻力，如熱阻、液阻、氣阻。因此，可以用過程容量系數(shù)C與阻力系數(shù)R的乘積來表征過程的時(shí)間常數(shù)。任何過程都具有儲存物料或能量的能力，如過程的45（1）控制通道時(shí)間常數(shù)To對控制系統(tǒng)的影響在相同的控制作用下，過程的時(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）擾動通道時(shí)間常數(shù)Tf對控制系統(tǒng)的影響過程的時(shí)間常數(shù)Tf越大越好，相當(dāng)于對擾動信號進(jìn)行濾波。希望Tf大（1）控制通道時(shí)間常數(shù)To對控制系統(tǒng)的影響（2）擾動通道時(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)至測量值y(t)的檢測通道，也可能起因于控制信號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程的固有特性，是由于物料或能量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的。容量滯后容量滯后是多容量過程的固有特性，是由于物料或能量的傳遞需要通49（1）時(shí)滯對控制通道的影響

希望τo小。時(shí)滯τ對系統(tǒng)控制過程的影響，是以其與時(shí)間常數(shù)的比值τ/T來衡量的。

的過程較易控制；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)滯對控制通道的影響希望τo小。時(shí)滯τ50（2）時(shí)滯對擾動通道的影響

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