化工儀表第二章

1、控制裝置執(zhí)行器過程檢測元件、變送器r(t)比較機構(gòu)-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)擾動廣義對象被控變量測量值控制器設(shè)定值過程：過程：需要實現(xiàn)控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程需要實現(xiàn)控制的機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程過程特性：過程特性：是指被控過程的輸入變量（操縱變量或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，其輸出變量（被控變量）擾動變量）發(fā)生變化時，其輸出變量（被控變量）隨時間的變化規(guī)律。隨時間的變化規(guī)律。簡單控制系統(tǒng)方塊圖簡單控制系統(tǒng)方塊圖研究過程特性的研究過程特性的必要性必要性： 為了更好地實施控制為了更好地實施控制本章研究內(nèi)容：本章研究內(nèi)容： 2.1 過程特性的類型過

2、程特性的類型2.2 過程的數(shù)學描述過程的數(shù)學描述2.3 過程特性的一般分析過程特性的一般分析2.4 過程特性的實驗測定方法過程特性的實驗測定方法2.1 過程特性的類型過程特性的類型通道：通道：輸入變量對輸出變量的作用途徑輸入變量對輸出變量的作用途徑控制通道：控制通道：操縱變量操縱變量q(t)對被控變量對被控變量c(t)的作用途徑的作用途徑擾動通道：擾動通道：擾動變量擾動變量f(t)對被控變量對被控變量c(t)的作用途徑的作用途徑廣義對象特性主要通過響應(yīng)曲線來呈現(xiàn)廣義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：當被控作用控制通道的響應(yīng)曲線：當被控作用u(t)做階躍變化做階躍變化（擾動（擾動

3、f(t)不變不變）時被控變量的時間特性時被控變量的時間特性c(t)擾動通道的響應(yīng)曲線：當擾動擾動通道的響應(yīng)曲線：當擾動f(t)做階躍變化（控制做階躍變化（控制作用作用u(t) 不變）時被控變量的時間特性不變）時被控變量的時間特性c(t)響應(yīng)曲線有四種：響應(yīng)曲線有四種： h(t) h(0) t (a) (t) (0) t (b) 有自衡的非振蕩過程有自衡的非振蕩過程 h(t) h(0) t (a) c(t) c(0) t (b) 無自衡的非振蕩過程無自衡的非振蕩過程 c(t) c(0) t c(t) c(0) t 有自衡的振蕩過程有自衡的振蕩過程具有反向特性的過程具有反向特性的過程 f(t) 1

4、 F1 F2 2 h 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 h(t) h(0) t (a) f(t) F1 F2 h 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 h(t) h(0) t (a) 2.2 2.2 過程的數(shù)學描述過程的數(shù)學描述 要研究被控過程的特性，就必須知道被控過程的要研究被控過程的特性，就必須知道被控過程的數(shù)學模型（參量模型），也就是對過程的數(shù)學描述。數(shù)學模型（參量模型），也就是對過程的數(shù)學描述。數(shù)學模型：數(shù)學模型：表示具體過程的輸入、輸出關(guān)系的數(shù)學方表示具體過程的輸入、輸出關(guān)系的數(shù)學方程式。程式。其形式有：其形

5、式有：微分方程式、偏微分方程式、狀態(tài)方程微分方程式、偏微分方程式、狀態(tài)方程 熱物料 冷物料 蒸汽 換熱器換熱器由前面的分析可得：由前面的分析可得：一階被控過程一階被控過程控制通道控制通道的動態(tài)方程為：的動態(tài)方程為：一階被控過程一階被控過程擾動通道擾動通道的動態(tài)方程為：的動態(tài)方程為：( )( )( )ood c tc tq tdtTK( )( )( )ffd c tc tf tdtTK0()q t有純滯后有純滯后其中：其中： 分別為控制通道、擾動通分別為控制通道、擾動通道的時間常數(shù)和放大系數(shù)；道的時間常數(shù)和放大系數(shù)； 分別為被控變量增量、分別為被控變量增量、操縱變量增量和擾動變量增量。操縱變量增

6、量和擾動變量增量。,ofofT TKK( ),( ),( )c tq tf t2.3 過程特性的一般分析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)有放大描述有自衡非振蕩過程的特性參數(shù)有放大系數(shù)系數(shù)K K、時間常數(shù)時間常數(shù)T T和時滯和時滯。放大系數(shù)放大系數(shù)K(1) 控制通道的放大系數(shù)控制通道的放大系數(shù)Ko(2) 擾動通道的放大系數(shù)擾動通道的放大系數(shù)Kf(1) 控制通道的放大系數(shù)控制通道的放大系數(shù)Ko q q(t) q(0) t ( )c c(t) c(0) t 熱物料 冷物料 蒸汽 定義：定義：在擾動變量在擾動變量f(t)不變不變的情況下，被控變量的變化的情況下，被控變量的變化量量c與

7、操縱變量與操縱變量q在時間在時間趨于無窮大時之比趨于無窮大時之比( )( )(0)occcKqq 控制通道的放大系數(shù)控制通道的放大系數(shù)Ko反映反映了過程以了過程以初始工作點初始工作點為基準為基準的被控變量與操縱變量在過的被控變量與操縱變量在過程結(jié)束時的變化量之間的關(guān)程結(jié)束時的變化量之間的關(guān)系，是一個系，是一個穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)。過程的放大系數(shù)受負荷和過程的放大系數(shù)受負荷和工作點的影響。工作點的影響。在相同的負荷下，在相同的負荷下， Ko隨工隨工作點的增大而減??；作點的增大而減小；在相同的工作點下，在相同的工作點下，Ko隨隨工作點的增大而減小。工作點的增大而減小。C B A 出 口 溫 度

8、 e O q 蒸汽流量 負荷小 負荷大 D E 蒸汽加熱器的穩(wěn)態(tài)特性蒸汽加熱器的穩(wěn)態(tài)特性在某一負荷下，蒸汽量不同，在某一負荷下，蒸汽量不同，達到平衡的出口溫度不同；達到平衡的出口溫度不同；反之，在蒸汽量相同，處理反之，在蒸汽量相同，處理量不同的情況下，達到平衡量不同的情況下，達到平衡的出口溫度也不同。的出口溫度也不同。選擇選擇KoKo的原則：希的原則：希望望KoKo稍大。稍大。(2) 擾動通道的放大系數(shù)擾動通道的放大系數(shù)Kf定義：定義：在操縱變量在操縱變量q(t)不變的不變的情況下，過程受到幅度為情況下，過程受到幅度為f的階躍擾動作用，過程從原的階躍擾動作用，過程從原有穩(wěn)定狀態(tài)達到新的穩(wěn)定狀有

9、穩(wěn)定狀態(tài)達到新的穩(wěn)定狀態(tài)時被控變量的變化量態(tài)時被控變量的變化量 與擾動幅度與擾動幅度f之比。之比。( )( )(0)fcccKff ( )c很明顯，很明顯，希望希望Kf小一些小一些。但。但是，擾動對系統(tǒng)的影響還要是，擾動對系統(tǒng)的影響還要考慮考慮f的大小。的大小。 f f(t) f(0) t ( )c c(t) c(0) t 時間常數(shù)時間常數(shù)T 時間常數(shù)時間常數(shù)T是表征被控變量變化快慢的是表征被控變量變化快慢的動態(tài)參數(shù)。動態(tài)參數(shù)。 控制過程控制過程中時間常數(shù)的概念來源于電工中時間常數(shù)的概念來源于電工學中時間常數(shù)的概念。學中時間常數(shù)的概念。 在阻容環(huán)節(jié)的充電過程中，在阻容環(huán)節(jié)的充電過程中，T=RC

10、表征表征了充電過程的快慢。了充電過程的快慢。定義定義1 1：在階躍外作用在階躍外作用下，一個阻容環(huán)節(jié)的下，一個阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量完成全部輸出變化量完成全部變化量的變化量的63.2%63.2%所需要所需要的時間。的時間。定義定義2 2：在階躍外作用在階躍外作用下，一個阻容環(huán)節(jié)的下，一個阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量保持初始輸出變化量保持初始變化速度，達到新的變化速度，達到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。 T O c(t) t B 63.2% 任何過程都具有儲存物料或能量的能力，如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。過程的容量有熱容、液容、氣容。任何過程在物料或

11、能量的傳遞過程中，也總?cè)魏芜^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。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)因此，可以用過程容量系數(shù)C與阻力系與阻力系數(shù)數(shù)R的乘積來表征過程的時間常數(shù)。的乘積來表征過程的時間常數(shù)。（1）控制通道時間常數(shù)控制通道時間常數(shù)To對控制系統(tǒng)的影響對控制系統(tǒng)的影響在相同的控制作用下，過程的時間常數(shù)在相同的控制作用下，過程的時間常數(shù)To越大，被越大，被控變量的變化越緩慢?？刈兞康淖兓骄徛?To越小，被控變量的變化越小，被控變量的變化越快。越快。希望希望To適中適中 （2）擾動通道時間常數(shù)）擾動通道時間常數(shù)Tf 對控

12、制系統(tǒng)的影響對控制系統(tǒng)的影響過程的時間常數(shù)過程的時間常數(shù)Tf 越大越好越大越好，相當于對擾動信號進相當于對擾動信號進行濾波。行濾波。希望希望Tf大大純滯后純滯后定義：定義：在輸入變化后，輸出不是隨之立即變化，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間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱而是需要間隔一段時間才發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為純滯后（時滯）現(xiàn)象為純滯后（時滯）現(xiàn)象。 A D c(0) 0 c(t) t t q(t)/f(t) 具有純滯后時間的階躍響應(yīng)曲線具有純滯后時間的階躍響應(yīng)曲線 定義中的純滯后包定義中的純滯后包括了兩種滯后：括了兩種滯后：純滯純滯后、容量滯后后、容量滯后。 實際工業(yè)過程中

13、實際工業(yè)過程中的純滯后時間是指純的純滯后時間是指純滯后與容量滯后時間滯后與容量滯后時間之和之和oc純滯后純滯后o是由于信息的傳輸需要時間而引起的。是由于信息的傳輸需要時間而引起的。 l u 加料斗 去反應(yīng)器 /ol u A D c(0) 0 c(t) t t q(t)/f(t) 它可能起因于被控變量它可能起因于被控變量c c( (t t) )至測量值至測量值y y( (t t) )的檢測通的檢測通道，也可能起因于控制信號道，也可能起因于控制信號u u( (t t) )至操縱變量至操縱變量q q( (t t) )的的一側(cè)。一側(cè)。物料傳輸物料傳輸容量滯后是多容量過程的固有特性，是由于物料或能容量滯

14、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。量的傳遞需要通過一定的阻力而引起的。 f(t) 1 F1 F2 2 h1 h2 2 T c(t) c(0) t 純滯后 1 3 容量滯后容量滯后（1）純滯后對控制通道的影響純滯后對控制通道的影響 希望希望o小小。純滯后純滯后對系統(tǒng)控制過程的影響，對系統(tǒng)控制過程的影響，是以其與時間常數(shù)的比值是以其與時間常數(shù)的比值/T來衡量的。來衡量的。 的過程較易控制；的過程較易控制；/T較大時，需要在一定程度上降低控制系統(tǒng)的較大時，需要在一定程度上降低控制系統(tǒng)的指標；指標；/T(0.50.6)時，需用特殊控制規(guī)律。時，需用特殊控制規(guī)律

15、。/0.3T（2）純滯后對擾動通道的影響純滯后對擾動通道的影響 一般地一般地，在不同變量的過程中，液位和壓力過在不同變量的過程中，液位和壓力過程的程的較小，流量過程的較小，流量過程的和和T都較小，溫度過程的都較小，溫度過程的c較大，成分過程的較大，成分過程的o和和c都較大。都較大。 對對o無要求無要求。 希望希望c大大。2.4 過程特性的實驗測定方法過程特性的實驗測定方法 過程特性參數(shù)可以由過程的數(shù)學模型通過求過程特性參數(shù)可以由過程的數(shù)學模型通過求解得到，但是在生產(chǎn)過程中，很多過程的數(shù)學模解得到，但是在生產(chǎn)過程中，很多過程的數(shù)學模型是很難得到的。型是很難得到的。 工程上一般用實驗方法來測定過程

16、特性參數(shù)。工程上一般用實驗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)備或機器中施加一最簡便的方法就是直接在原設(shè)備或機器中施加一定的擾動，通過該過程的輸出變量進行測量和記定的擾動，通過該過程的輸出變量進行測量和記錄，然后通過分析整理得到過程特性參數(shù)錄，然后通過分析整理得到過程特性參數(shù)。 階躍擾動法（反應(yīng)曲線法）階躍擾動法（反應(yīng)曲線法） 當過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在過程的輸入端施當過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在過程的輸入端施加一個幅度已知的階躍擾動，測量和記錄過程加一個幅度已知的階躍擾動，測量和記錄過程輸出變量的數(shù)值，畫出輸出變量隨時間變化的輸出變量的數(shù)值，畫出輸出變量隨時間變化的反應(yīng)曲線，根據(jù)響應(yīng)曲線求得過程特性參數(shù)。反應(yīng)曲線，根據(jù)響應(yīng)曲線求得過程特性參數(shù)。 q q(t) O t A T O c(t) t B 放大系數(shù)放大系數(shù) K=B/A 時間常數(shù)時間常數(shù) T純滯后純滯后 一階系統(tǒng)一階系統(tǒng) T c(t) c(0) t 純滯后 1 2 3 q q(t) O t A 放大系數(shù)放大系數(shù)K: K=c(t)-c(0)/A 時間常數(shù)時間常數(shù)T: T=2、3之間的距離之間的距