化工儀表及自動(dòng)化-第二章--過(guò)程特性

1、第二章 過(guò)程特性,過(guò)程：需要實(shí)現(xiàn)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(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,c(t)：被控變量， y(t)：測(cè)量值， r(t)：設(shè)定值， u(t)：控制作用， q(t)：操縱變量，f(t): 擾動(dòng)，e(t): 偏差,研究過(guò)程特性的必要性： 為了更好地實(shí)施控制,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,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 控制通道：操縱變量q(t)對(duì)被控變量c(t)

2、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)被控作用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),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,有自衡的振蕩過(guò)程,具有反向特性的過(guò)程,有自衡的非振蕩過(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,2.2 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

3、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,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：,有純滯后,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。,2.3 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。,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)Kf,(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c與操縱變量q在時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)之比,控制

4、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)。,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隨工作點(diǎn)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。,(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f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f(wàn)之比。,很

5、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f的大小。,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。,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。,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

6、力系數(shù)R的乘積來(lái)表征過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。,（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,純滯后,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(guò)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o是由于信息的傳輸需要時(shí)間而引

7、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,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,（1）純滯后對(duì)控制通道的影響,希望o小。純滯后對(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/T來(lái)衡量的。 的過(guò)程較易控制； /T較大時(shí)，需要在一定程度上降低控制系統(tǒng)的指標(biāo)； /T(0.50.6)時(shí)，需用特殊控制規(guī)律。,（2）純滯后對(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)程的較小，流量過(guò)程的和T都較小，溫度過(guò)程的c較大，成分過(guò)程的o和c都較大。,對(duì)o無(wú)要求。

8、,希望c大。,2.4 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)。,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(huà)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)。,放大系數(shù) K=B/A 時(shí)間常數(shù) T 純滯后 ,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 : =1、2之間的