化工自動化及儀表第二章課件

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)院自動化系過程：簡單控制系統(tǒng)方塊圖過程特性：需要實(shí)現(xiàn)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程是指被控過程的輸入變量發(fā)生變化時(shí)，其輸出變量隨時(shí)間的變化規(guī)律。操縱變量、擾動變量被控變量過程：簡單控制系統(tǒng)方塊圖過程特性：需要實(shí)現(xiàn)控制的機(jī)器、設(shè)備或研究過程特性的必要性：為了更好地實(shí)施控制研究過程特性的必要性：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)測定方法本章內(nèi)容：2.1過程特性的類型2.22.1過程特性的類型通道：擾動通道：控制通道：輸入變量對輸出變量的作用途徑操縱變量q(t)對被控變量c(t)的作用途徑擾動變量f(t)對被控變量c(t)的作用途徑操縱變量、擾動變量被控變量2.1過程特性的類型通道：擾動通道：控制通道：輸入變量對2.1過程特性的類型對象特性主要通過響應(yīng)曲線來呈現(xiàn)控制通道的響應(yīng)曲線：當(dāng)操縱變量q(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)擾動變量f(t)做階躍變化（控制作用q(t)不變）時(shí)被控變量的時(shí)間特性c(t)2.1過程特性的類型對象特性主要通過響應(yīng)曲線來呈現(xiàn)控制通響應(yīng)曲線的種類：(在階躍擾動作用下)有自衡的非振蕩過程無自衡的非振蕩過程響應(yīng)曲線的種類：(在階躍擾動作用下)有自衡的非振蕩過程無自衡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2.2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，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2.2過程的數(shù)學(xué)描述要研究被控過程的特性，2.2過程的數(shù)學(xué)描述蒸汽加熱器建立數(shù)學(xué)模型的方法：機(jī)理建模法、實(shí)驗(yàn)測定法能量平衡方程等2.2過程的數(shù)學(xué)描述蒸汽加熱器建立數(shù)學(xué)模型的方法：機(jī)理建由前面的分析（略）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：有純滯后由前面的分析（略）可得：一階被控過程擾動通道的動態(tài)方程為：有其中：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。其中：分別為控制通道、擾動通道的時(shí)間常數(shù)和2.3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(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(t)與操縱變量的變化量Δq(t)在時(shí)間趨于無窮大時(shí)之比(1)控制通道的放大系數(shù)Ko定義：在擾動變量f(t)不變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變化結(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)。初始工作點(diǎn)：過程原有的穩(wěn)定狀態(tài)。生產(chǎn)負(fù)荷：過程的生產(chǎn)能力或處理量。。控制通道的放大系數(shù)Ko反映了過程以初始工作點(diǎn)在負(fù)荷不變的情況下，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（負(fù)荷）不同的情況下，達(dá)到平衡的出口溫度也不同。F在負(fù)荷不變的情況下，蒸汽量不同，達(dá)到平衡的出口溫度不同；反之過程的放大系數(shù)是變化的，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Ko該如何選擇呢？過程的放大系數(shù)是變化的，受負(fù)荷和工作點(diǎn)的影響。蒸汽加熱器的穩(wěn)選擇Ko的原則：希望Ko大一些。選擇Ko的原則：希望Ko大一些。(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。(2)擾動通道的放大系數(shù)Kf定義：在操縱變量q(t)不變(2)擾動通道的放大系數(shù)KfKf該如何選擇呢？Kf越大，說明在某一固定的△f下，被控變量的變化會大；反之亦然。很顯然，希望Kf小。(2)擾動通道的放大系數(shù)KfKf該如何選擇呢？Kf越大，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,稱為該阻容環(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。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。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（1）控制通道時(shí)間常數(shù)To對控制系統(tǒng)的影響希望To適中在相同的控制作用下，過程的時(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。（1）控制通道時(shí)間常數(shù)To對控制系統(tǒng)的影響希望To適中在相同

（2）擾動通道時(shí)間常數(shù)Tf對控制系統(tǒng)的影響希望Tf大過程的時(shí)間常數(shù)Tf越大越好相當(dāng)于對擾動信號進(jìn)行濾波。對被控變量的影響越?。?）擾動通道時(shí)間常數(shù)Tf對控制系統(tǒng)的影響希望Tf大過程純滯后τ定義：在過程的輸入變量發(fā)生變化后，輸出變量不是立即變化，而是隔一段時(shí)間才開始發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為純滯后（時(shí)滯）現(xiàn)象。具有純滯后時(shí)間的階躍響應(yīng)曲線

定義中的純滯后包括了兩種滯后：純滯后、容量滯后。

實(shí)際工業(yè)過程中的純滯后時(shí)間是指純滯后與容量滯后時(shí)間之和純滯后τ定義：在過程的輸入變量發(fā)生變化后，輸出變量不是立即變純滯后τo是由于信息的傳遞需要時(shí)間而引起的。物料傳輸純滯后τo是由于信息的傳遞需要時(shí)間而引起的。物料傳輸（1）可能源于被控變量c(t)至測量值y(t)的檢測通道；（2）可能源于控制信號u(t)至操縱變量q(t)的一側(cè)。（1）可能源于被控變量c(t)至測量值y(t)的檢測通道；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都會遇到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都會遇（1）純滯后對控制通道的影響

希望τo小。純滯后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。τ/T>(0.5~0.6)時(shí)，需用特殊控制規(guī)律。τ/T較大時(shí)，需要在一定程度上降低控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)才可以確保對系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。的過程較易控制；（1）純滯后對控制通道的影響希望τo小。純滯（2）純滯后對擾動通道的影響

對τo無要求。

希望τc大。（2）純滯后對擾動通道的影響對τo無要求。希望τc大2.4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)模型是不易得到的。

2.4過程特性的實(shí)驗(yàn)測定方法過程特性參工程上一般用實(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，通過對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)。

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)間變化的響應(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)放大系數(shù)

K=B/A

時(shí)間常數(shù)

T純滯后

τ一階系統(tǒng)放大系數(shù)K=B/A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)階躍擾動法簡便易行、且比較直觀、所以得到了廣泛的應(yīng)用。但是針對較復(fù)雜、擾動因素較多的過程，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。階躍擾動法簡便易行、且比較直觀、所以得到了廣泛的應(yīng)用。矩形脈沖擾動法周期擾動法統(tǒng)計(jì)相關(guān)法為了使分析變得簡單，在利用實(shí)驗(yàn)法獲得過程的動態(tài)特性時(shí)，將檢測變送、控制閥和被控對象一起考慮的，這樣相當(dāng)于把控制系統(tǒng)當(dāng)成兩部分看待。矩形脈沖擾動法為了使分析變得簡單，在利用實(shí)驗(yàn)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)院自動化系過程：簡單控制系統(tǒng)方塊圖過程特性：需要實(shí)現(xiàn)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程是指被控過程的輸入變量發(fā)生變化時(shí)，其輸出變量隨時(shí)間的變化規(guī)律。操縱變量、擾動變量被控變量過程：簡單控制系統(tǒng)方塊圖過程特性：需要實(shí)現(xiàn)控制的機(jī)器、設(shè)備或研究過程特性的必要性：為了更好地實(shí)施控制研究過程特性的必要性：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)測定方法本章內(nèi)容：2.1過程特性的類型2.22.1過程特性的類型通道：擾動通道：控制通道：輸入變量對輸出變量的作用途徑操縱變量q(t)對被控變量c(t)的作用途徑擾動變量f(t)對被控變量c(t)的作用途徑操縱變量、擾動變量被控變量2.1過程特性的類型通道：擾動通道：控制通道：輸入變量對2.1過程特性的類型對象特性主要通過響應(yīng)曲線來呈現(xiàn)控制通道的響應(yīng)曲線：當(dāng)操縱變量q(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)擾動變量f(t)做階躍變化（控制作用q(t)不變）時(shí)被控變量的時(shí)間特性c(t)2.1過程特性的類型對象特性主要通過響應(yīng)曲線來呈現(xiàn)控制通響應(yīng)曲線的種類：(在階躍擾動作用下)有自衡的非振蕩過程無自衡的非振蕩過程響應(yīng)曲線的種類：(在階躍擾動作用下)有自衡的非振蕩過程無自衡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2.2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，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2.2過程的數(shù)學(xué)描述要研究被控過程的特性，2.2過程的數(shù)學(xué)描述蒸汽加熱器建立數(shù)學(xué)模型的方法：機(jī)理建模法、實(shí)驗(yàn)測定法能量平衡方程等2.2過程的數(shù)學(xué)描述蒸汽加熱器建立數(shù)學(xué)模型的方法：機(jī)理建由前面的分析（略）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：有純滯后由前面的分析（略）可得：一階被控過程擾動通道的動態(tài)方程為：有其中：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。其中：分別為控制通道、擾動通道的時(shí)間常數(shù)和2.3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(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(t)與操縱變量的變化量Δq(t)在時(shí)間趨于無窮大時(shí)之比(1)控制通道的放大系數(shù)Ko定義：在擾動變量f(t)不變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變化結(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)。初始工作點(diǎn)：過程原有的穩(wěn)定狀態(tài)。生產(chǎn)負(fù)荷：過程的生產(chǎn)能力或處理量。?？刂仆ǖ赖姆糯笙禂?shù)Ko反映了過程以初始工作點(diǎn)在負(fù)荷不變的情況下，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（負(fù)荷）不同的情況下，達(dá)到平衡的出口溫度也不同。F在負(fù)荷不變的情況下，蒸汽量不同，達(dá)到平衡的出口溫度不同；反之過程的放大系數(shù)是變化的，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Ko該如何選擇呢？過程的放大系數(shù)是變化的，受負(fù)荷和工作點(diǎn)的影響。蒸汽加熱器的穩(wěn)選擇Ko的原則：希望Ko大一些。選擇Ko的原則：希望Ko大一些。(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。(2)擾動通道的放大系數(shù)Kf定義：在操縱變量q(t)不變(2)擾動通道的放大系數(shù)KfKf該如何選擇呢？Kf越大，說明在某一固定的△f下，被控變量的變化會大；反之亦然。很顯然，希望Kf小。(2)擾動通道的放大系數(shù)KfKf該如何選擇呢？Kf越大，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,稱為該阻容環(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。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。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（1）控制通道時(shí)間常數(shù)To對控制系統(tǒng)的影響希望To適中在相同的控制作用下，過程的時(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。（1）控制通道時(shí)間常數(shù)To對控制系統(tǒng)的影響希望To適中在相同

（2）擾動通道時(shí)間常數(shù)Tf對控制系統(tǒng)的影響希望Tf大過程的時(shí)間常數(shù)Tf越大越好相當(dāng)于對擾動信號進(jìn)行濾波。對被控變量的影響越?。?）擾動通道時(shí)間常數(shù)Tf對控制系統(tǒng)的影響希望Tf大過程純滯后τ定義：在過程的輸入變量發(fā)生變化后，輸出變量不是立即變化，而是隔一段時(shí)間才開始發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為純滯后（時(shí)滯）現(xiàn)象。具有純滯后時(shí)間的階躍響應(yīng)曲線

定義中的純滯后包括了兩種滯后：純滯后、容量滯后。

實(shí)際工業(yè)過程中的純滯后時(shí)間是指純滯后與容量滯后時(shí)間之和純滯后τ定義：在過程的輸入變量發(fā)生變化后，輸出變量不是立即變純滯后τo是由于信息的傳遞需要時(shí)間而引起的。物料傳輸純滯后τo是由于信息的傳遞需要時(shí)間而引起的。物料傳輸（1）可能源于被控變量c(t)至測量值y(t)的檢測通道；（2）可能源于控制信號u(t)至操縱變量q(t)的一側(cè)。（1）可能源于被控變量c(t)至測量值y(t)的檢測通道；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都會遇到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都會遇（1）純滯后對控制通道的影響

希望τo小。純滯后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。τ/T>(0.5~0.6)時(shí)，需用特殊控制規(guī)律。τ/T較大時(shí)，需要在一定程度上降低控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)才可以確保對系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。的過程較易控制；（1）純滯后對控制通道的影響希望τo小。純滯（2）純滯后對擾動