過程控制 第一章 動態(tài)特性

回顧過程控制:是指以溫度、壓力、流量、液位、成分和物性等工藝參數(shù)作為被控變量的自動控制。測量變送器控制器執(zhí)行器調(diào)節(jié)閥對象-定值+被調(diào)量廣義被控對象（廣義過程）控制器廣義被控對象給定值被調(diào)量控制系統(tǒng)第一篇簡單控制系統(tǒng)一個(gè)被調(diào)量、一個(gè)調(diào)節(jié)量；一個(gè)調(diào)節(jié)器、一個(gè)調(diào)節(jié)閥。簡單控制系統(tǒng)占工業(yè)控制系統(tǒng)的80％；復(fù)雜過程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。重要性目錄第一章生產(chǎn)過程的動態(tài)特性

第二章比例積分微分控制及其調(diào)節(jié)過程第三章簡單控制系統(tǒng)的整定第一章生產(chǎn)過程動態(tài)特性§1-1 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)§1-2被控對象的動態(tài)特性§1-3過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法控制器廣義被控對象給定值被調(diào)量過程控制的研究內(nèi)容：（1）制定控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)（即設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)）；（2）認(rèn)識生產(chǎn)過程的動態(tài)特性（一般為廣義對象的動態(tài)性）；（3）設(shè)計(jì)控制器的控制規(guī)律及控制結(jié)構(gòu)，使控制系統(tǒng)達(dá)到控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)要求。-§1-1 過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)一、單項(xiàng)性能指標(biāo)衰減率、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、調(diào)節(jié)時(shí)間二、綜合指標(biāo)——誤差積分指標(biāo)

IE、IAE、ISE、ITAE小結(jié)：1單項(xiàng)指標(biāo)用若干特征參數(shù)評價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣；2積分指標(biāo)用誤差積分綜合評價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣；3根據(jù)具體生產(chǎn)過程的實(shí)際選用不同的指標(biāo)；4通常將衰減率和積分指標(biāo)結(jié)合，首先滿足衰減率。穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)動態(tài)控制器廣義被控對象給定值被調(diào)量-控制要求安全性經(jīng)濟(jì)性穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)穩(wěn)定性準(zhǔn)確性快速性控制器廣義對象+-給定被調(diào)量y1y3y∞essts單項(xiàng)性能指標(biāo)衰減率:ψ=超調(diào)量:σ=穩(wěn)態(tài)誤差:ess=y∞-r調(diào)節(jié)時(shí)間:ts(進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值5%范圍內(nèi)）振蕩頻率：ωr單項(xiàng)性能指標(biāo)衰減率ψ:反映了系統(tǒng)穩(wěn)定性超調(diào)量σ:反映了動態(tài)準(zhǔn)確性穩(wěn)態(tài)誤差ess:反映了靜態(tài)準(zhǔn)確性調(diào)節(jié)時(shí)間ts

:反映了快速性振蕩頻率ω：反映了快速性一般對定值系統(tǒng)衰減率要求為0.75

對隨動系統(tǒng)衰減率要求為0.90不振蕩衰減衰減等幅系統(tǒng)振蕩∞1041衰減比90o20o6112o2810∞0.3660.2210衰減指數(shù)≥10.3440.2160阻尼系數(shù)10.90.750衰減率討論：（對二階系統(tǒng)）βω-ασjω不同阻尼比時(shí)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線1.ζ>1（過阻尼）慢爬行過程；調(diào)節(jié)時(shí)間最長，無超調(diào)；2.ζ=1（臨界阻尼）慢爬行過程；響應(yīng)速度比過阻尼快，無超調(diào)；3.0<ζ<1(欠阻尼）振蕩衰減過程；選合理的ζ值，可兼顧快速性和平穩(wěn)性；4.ζ=0（無阻尼）等幅振蕩過程，無穩(wěn)態(tài)；

一般地，通過對控制器調(diào)節(jié)規(guī)律和參數(shù)選擇，可以使使得控制系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)發(fā)生改變。在相同的衰減率下，振蕩頻率越高則恢復(fù)時(shí)間越短；而在相同的振蕩頻率下，衰減率越大則恢復(fù)時(shí)間越短。因此振蕩頻率也在一定程度上可作為衡量控制快速性的一個(gè)指標(biāo)。βω-ασjω控制器廣義被控對象給定值被調(diào)量-§1-2 被控對象的動態(tài)特性一、基本概念被控對象的動態(tài)特性是指被控對象的輸入發(fā)生變化時(shí)，其輸出（被調(diào)量）隨時(shí)間變化的規(guī)律。對于線性系統(tǒng)，其動態(tài)特性可用傳遞函數(shù)來描述。二、典型對象動態(tài)特性1.典型實(shí)例分析

有自平衡單容對象（1）單容水箱物質(zhì)平衡方程：在工作點(diǎn)線性化處理：傳遞函數(shù)：階躍響應(yīng)：有自平衡雙容對象（2）雙容水箱

對物質(zhì)平衡方程在工作點(diǎn)處進(jìn)行線性化處理后達(dá)到傳遞函數(shù)為：階躍響應(yīng)：純遲延KμQ0μe-τsQ1Q0_Q2HQ1（3）帶延長管的單容水箱傳遞函數(shù)為：階躍響應(yīng)：

有遲延自衡單容對象Fh無自平衡單容對象μ（1）典型自衡對象傳遞函數(shù)表達(dá)式（2）典型非自衡對象傳遞函數(shù)表達(dá)式2.歸納：三、工業(yè)過程動態(tài)特性的特點(diǎn)無振蕩穩(wěn)定或中性穩(wěn)定有慣性或遲延非線性，但在工作點(diǎn)附近可線性化一、過程數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式與對模型的要求二、建立數(shù)學(xué)模型的兩個(gè)基本方法機(jī)理建模法測試建模法三、階躍響應(yīng)確定傳遞函數(shù)1

階躍響應(yīng)獲取應(yīng)注意的問題2

確定自衡對象傳遞函數(shù)3確定非自衡對象傳遞函數(shù)§1-3過程數(shù)學(xué)模型及其建立方法2被控對象數(shù)學(xué)模型的表達(dá)形式按模型結(jié)構(gòu)劃分：輸入輸出模型狀態(tài)空間模型連續(xù)系統(tǒng)模型離散系統(tǒng)模型按系統(tǒng)的連續(xù)性劃分：3

被控對象數(shù)學(xué)模型的利用方式離線方式：數(shù)學(xué)模型只是在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究時(shí)或調(diào)試整定階段中發(fā)揮作用在線方式：數(shù)學(xué)模型作為一個(gè)組成部分嵌入控制系統(tǒng)中，具有實(shí)時(shí)性。4對被控對象數(shù)學(xué)模型的要求一般不要求非常準(zhǔn)確。閉環(huán)控制本身具有一定的魯棒性。

時(shí)域：微分方程、階躍響應(yīng)頻域：傳遞函數(shù)1建模的目的：分析、設(shè)計(jì)、調(diào)試控制系統(tǒng)機(jī)理建模：物質(zhì)平衡方程能量平衡方程動量平衡方程輸入輸出微分方程傳遞函數(shù)在工作點(diǎn)附近線性化處理測試建模：用階躍響應(yīng)曲線建模（開環(huán)）用脈沖響應(yīng)曲線建模（開環(huán)）用正弦響應(yīng)建模（開環(huán)）其他辨識方法建模飛升曲線

階躍響應(yīng)獲取應(yīng)注意的問題（1）合理選擇階躍擾動的幅度(一般約為額定負(fù)荷的10%～20%)（2）實(shí)際閥門只能以有限速度移動一般認(rèn)為階躍信號是在t1/2時(shí)加入（3）試驗(yàn)前確保被控對象處于穩(wěn)定工況考慮過程的非線性特性，應(yīng)進(jìn)行多次測試。（4）若過程不允許同一方向擾動加入，則采用矩形脈沖擾動可從脈沖響應(yīng)曲線求出所需的階躍響應(yīng)。2確定自衡對象近似傳遞函數(shù)典型自衡過程：一階慣性環(huán)節(jié)用有理分式表示的傳遞函數(shù)選擇哪種傳遞函數(shù)的形式，可依據(jù)以下兩點(diǎn)：對被控對象的驗(yàn)前知識的掌握對建立數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確性的要求

二階或n階慣性環(huán)節(jié)（1）確定參數(shù)的作圖法t1/2處為擾動起點(diǎn)；在s型響應(yīng)曲線找拐點(diǎn)，并作切線；記交點(diǎn)a、b和cab

起點(diǎn)到a的距離為τ；

a點(diǎn)到c點(diǎn)的距離為T；c（2）確定參數(shù)的兩點(diǎn)法

將響應(yīng)曲線標(biāo)幺

取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，記t1和t2

取驗(yàn)證（3）確定參數(shù)的兩點(diǎn)方法

將響應(yīng)曲線標(biāo)幺并去掉純遲延的到y(tǒng)*(t)

取y*(t1)=0.4，取y*(t2)=0.8，記t1和t2若0.32<t1/t2≤0.46，則為二階對象若t1/t2>0.46，則為高階對象見表1-1（p.28)n t1/t21 0.3172 0.463 0.5344 0.5845 0.6186 0.64070.666n t1/t28 0.6849 0.699100.71211 0.72412 0.73413 0.748140.751表1-1高階對象中n與比值t1/t2的關(guān)系根據(jù)Laplace變換的極限定