过程控制工程第四章
过程控制工程第四版教学设计
过程控制工程第四版教学设计课程简介本课程为过程控制工程相关专业的本科生课程，主要教授过程控制的基本理论、方法和应用技术。
课程内容涵盖传感器、信号处理、过程建模、控制策略等方面，在实验室中进行多种控制实验，以培养学生的实践能力和创新能力。
授课目标1.掌握过程控制中常用的量测量、信号处理和过程建模技术。
2.熟悉传统PID控制和现代控制技术。
3.能够分析、设计和调试简单的过程控制系统。
4.培养学生的实践能力和团队合作能力。
课程内容第一章：过程控制简介1.1 过程控制的定义和作用 1.2 过程控制系统的组成和功能 1.3 过程控制技术的分类和应用第二章：传感器与信号处理2.1 传感器的原理和分类 2.2 传感器的选型和调试 2.3 信号处理的基本原理和方法第三章：过程建模3.1 过程建模的概念和分类 3.2 线性和非线性过程建模方法 3.3 过程识别和参数估计第四章：传统PID控制4.1 PID控制的概念和基本原理 4.2 PID控制器的设计和调试 4.3 自适应PID 控制和增量式PID控制第五章：现代控制技术5.1 非线性控制和自适应控制 5.2 最优控制和预测控制 5.3 模糊控制和神经网络控制第六章：过程控制系统实验6.1 传感器和信号处理实验 6.2 过程建模实验 6.3 PID控制实验 6.4 现代控制技术实验教学方式1.课堂教学：通过多媒体展示、理论讲解和案例分析等方式进行。
2.实验教学：通过实验室教学，让学生亲身体验过程控制系统的设计和调试。
3.课程论文：让学生选择一个过程控制应用进行调研和论文撰写，以提高学生的研究和应用能力。
课程评价1.平时表现：包括出勤率、作业、实验报告、课堂参与等。
2.期末考试：主要考察学生的理论知识掌握程度。
3.课程论文：对学生的研究和应用能力进行评价。
参考教材1.《过程控制工程导论》第四版，刘洪海，机械工业出版社。
2.《过程控制工程技术手册》第三版，罗凯、钟淑敏，中国电力出版社。
第四章第四节新 控制工程基础
两系统的对数相频特性分别为：
1 arctgT1 arctgT2
2 arctgT1 arctgT2
更多资料请联系 QQ1070831599 更多资料请联系QQ1070831599
1 2
更多资料请联系 QQ1070831599
于是得系统的传递函数为：
s 0.2 1 0.1 G s s s s 1 1 4
更多资料请联系 QQ1070831599
对于最小相位系统，当时，其相位为-90° （n-m），其对数幅频特性曲线的斜率为-20 （n-m）dB/dec，其中m、n分别为传递函数分 子分母多项式的最高阶次（n>m），而对于非 最小相位系统，当时，相位不等于-90°（nm）。
联系QQ1070831599
更多资料请联系 QQ1070831599
更多资料请联系QQ1070831599
例4-6
已知两系统的传递函数分别为 T s 1 T1 s 1 G1 s 1 , G2 s T2 s 1 T2 s 1 式中，零点、极点分布图如图4-35所示。试比 较两系统的相位滞后情况。
更多资料请联系 QQ1070831599
更多资料请联系QQ1070831599
显然，两系统的对数幅频特性相同，即：
20 lg G1 j 20 lg G2 j 20 lg
T1 2 1 T2 2 1
对数相频特性曲线如图4-36所示，由图可见，最小相位系统 1的相位滞后在任何频率下，均小于非最小相位系统2的相位 滞后，即：
试比较两系统的相位滞后情况。
显然，两系统的对数幅频特性相同，即：
20 lg G1 j 20 lg G2 j 20 lg
控制工程习题 第四章
习题四 题型：判断题 题目：最小相位系统一定是稳定系统，稳定系统一定是最小相位系统。
习题五
题型：填空题
题目：在最小相位系统中，对数幅频特性的变化趋势和相频特性的变化趋
势
。
B、 G(s) F(t) C、 G(s) L(t) D、 G( j) F(t)
习题四
题型：选择题
题目：以下说法正确的有（
）。
A、时间响应只能分析系统瞬态特性
B、系统的频率特性包括幅频特性和相频特性，它们都是频率ω的函数
C、时间响应和频率特性都能揭示系统动态特性
D、频率特性没有量纲
习题三 题型：单项选择题 题目：某环节频率特性图 Nyquist 如图 1 所示，则该环节是（）。 A、比例环节 B、微分环节 C、延迟环节 D、惯性环节
习题四 题型：单项选择题 题目：某环节频率特性 Nyquist 图如图 2 所示，则该环节是（）。 A、比例环节 B、微分环节
C、积分环节 D、惯性环节
第四章
第一节（1）
习题一 题型：填空题 题目：线性定常系统对正弦信号（谐波输入）的
称为频率响应。
习题二 题型：填空题 题目：频率响应是系统对___________的稳态响应；频率特性 G（jω）与传 递函数 G（s）的关系为________。
习题三 题型：单项选择题 题目：以下关于频率特性、传递函数和单位脉冲响应函数的说法错误的是（）。 A、 G( j) G(s) s j
E、频率特性反映系统或环节对不同频率正弦输入信号的放大倍数和相移
习题五 题型：填空题 题目：通常将
和
统称为频率特性。
第一节（2）
习题一 题型：综合题
题目：已知系统的单位阶跃响应为 xo t 1 1.8e4t 0.8e 9t，t 0，试求系统
控制工程基础---第四章传递函数
微分环节
惯性环节
一阶微分环节
振荡环节
二阶微分环节
延时环节
第三节传递函数的方块图
一、组成元素
1、方块单元：表示环节或系统的传递函数。
2、叠加点：表示信号的运算及其结果。
3、信号线：带箭头的直线或折线。箭头的方向表示信号的流向。
二、基本运算
1、串联
2、并联
3、反馈
三、等效移动原则
1、引出点的移动：保证引出信号不变
2、对于实际的物理系统，
四、概念
1、零点、极点：
零点：系统传递函数分子s多项式为零的根。
极点：系统传递函数分母s多项式为零的根。
2、传递系数： 。
3、特征方程：传递函数分母s多项式。
4、阶：系统特征方程s的最高指数。
例3、以例1、例2的结果为例。
第二节典型环节及其传递函数
名称
微分方程
传递函数
比例环节
例：系统方块图如图示，简化求传递函数。
将a点后移
五、方块图的建立
1、步骤：
建立系统微分方程组。
对微分方程图连接。
2、举例
例1：建立电路的方块图，并传递函数。
解：
例2、建立图示系统的方块图，求传递函数。
解：设中间变量为x(t)，其力平衡方程为
例3、建立直流电动机的方块图，求传递函数。
第四章传递函数
第一节传递函数
一、定义：系统初始状态为零，系统输出与输入的拉氏变换之比。
二、求法：
1、由微分方程求取。
若系统的微分方程为
对微分方程的两端求拉氏变换
例1：系统微分方程为 ，求系统的传递函数。
解：由给定的微分方程，
例2：求R-C电路的传递函数。
过程控制工程智慧树知到答案章节测试2023年中国石油大学(华东)
第一章测试1.广义对象包括（）。
A:被控对象B:检测元件C:执行器D:控制器答案:ABC2.先进控制有（）。
A:时滞补偿B:故障诊断C:预测控制D:解耦控制答案:ABCD3.过程控制系统中，代替人眼睛的是（）。
A:执行器B:控制器C:检测装置D:被控对象答案:C4.控制系统组成中具有大脑功能的是（）。
A:控制装置B:检测装置C:执行机构D:被控对象答案:A5.控制目标中不需要考虑环保因素。
A:对B:错答案:B6.随动控制系统的设定值是随时间变化的。
A:对B:错答案:A第二章测试1.被控对象的动态特性是描述被控对象输入输出关系动态特征的。
A:错B:对答案:B2.稳态指的是被控量不再随时间变化时，系统处于平衡状态。
A:对B:错答案:A3.误差绝对值积分（IAE）准则可避免正负积分面积相消现象。
A:对B:错答案:A4.灰箱模型是基于过程动态学的机理建模。
A:对B:错答案:B5.调节通道对象特性的T0小对控制系统有利。
A:错B:对答案:B6.比例积分作用为系统增加了一个开环零点，使系统相角超前，增加了稳定性。
A:错B:对答案:B7.调节系统在纯比作用下已整定好，加入积分作用后，为保证原稳定度，此时应将比例度（）A:减小B:不变C:增大D:先增大后减小答案:C8.对于气动执行机构，当信号压力增加，推杆下移的，称该气动执行机构为A:可调式B:反作用式C:正作用式D:移动式答案:C9.在控制系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设备或机械等，称为（）A:反馈B:控制器C:被控过程D:设定值答案:C10.下面对过程的控制质量没有影响的是（）A:扰动通道放大倍数B:扰动通道时间常数C:控制通道放大倍数D:扰动通道纯滞后时间答案:D11.过渡过程品质指标中，余差表示（）A:新稳态值与给定值之差B:测量值与给定值之差C:超调量与给定值之差D:调节参数与被调参数之差答案:A12.下列哪个参数不是描述对象特性的参数（）A:tB:TC:KD:τ答案:A13.受控制器的操纵，使被控变量保持在设定值的物理量是（）A:操纵变量B:被控对象C:设定值D:测量值答案:A14.在阶跃扰动作用下，过程控制系统的过渡过程出现的形式如下，（）是一种稳定控制系统A:非振荡发散过程B:衰减振荡过程C:发散振荡过程D:等幅振荡过程答案:B15.以下哪个传递函数可以表示积分环节（）A:TsB:KC:K/(Ts)D:K/(Ts+1)答案:C16.PID参数整定方法有（）A:响应曲线法B:临界比例度法C:继电器型PID自整定法D:经验法答案:ABCD第三章测试1.下列哪种不属于复杂控制系统？A:流量控制系统B:前馈控制系统C:串级控制系统D:解耦控制系统答案:A2.串级控制对所有的干扰都有很强的克服能力A:对B:错答案:B3.串级控制副参数的选择需要注意的问题有（）？A:副参数必须可测B:调节阀与副参数之间具有因果关系C:尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中D:副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小答案:ABCD4.串级控制多用于（）场合？A:用于所有的控制场合；B:用于时滞较大的对象；C:用于对象具有较大的非线性特性，且负荷变化较大；D:用于克服变化剧烈和幅值大的干扰；答案:BCD5.均匀控制有（）两种形式？A:前馈均匀控制B:单回路均匀控制C:串级均匀控制D:比值均匀控制答案:BC6.前馈控制的基本原理是（）？A:可变性原理B:等价原理C:不变性原理D:抗干扰原理答案:C7.动态前馈的效果一定比静态前馈的效果好。
过程控制综述
过程控制工程课程综述课程名称：过程控制工程系别：电子信息与电气工程系年级专业： 08自动化（2）班姓名：一、过程控制简介1.1 过程控制特点与分类过程控制通常是指石油、化工、电力、冶金、轻工、纺织、建材、原子能等工业生产部门生产过程的自动化。
自进入20世纪90年代以来，自动化技术发展很快，并获得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。
过程控制技术是自动化技术的重要组成部分。
在现代工业生产过程自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、提高经济效益和社会效益、提高劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生、提高市场竞争力等方面起着越来越巨大的作用。
过程控制的特点是与其他自动化控制系统相比较而言的，大致可归纳如下：1.连续生产过程的自动控制。
2.过程控制系统由过程检测、控制仪表组成。
3.被控过程是多种多样的、非电量的。
4.过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制。
5.过程控制方案十分丰富。
6.定值控制是过程控制的一种常用形式。
过程控制系统的分类方法很多，若按被控参数的名称来分，有温度、压力、流量、液位、pH等控制系统；按控制系统完成的功能来分，有比值、均匀、分程和选择性控制系统；按调节器的控制规律来分，有比例、比例积分、比例微分、比例积分微分控制系统；按被控量的多少来分，有单变量和多变量控制系统；按采用常规仪表和计算机来分，有仪表过程控制系统和计算机过程控制系统等。
但最基本的分类方法有以下两种：（1）按过程控制系统的结构特点来分类：1.反馈控制系统。
2.前馈控制系统。
3.复合控制系统（前馈-反馈控制系统）。
（2）按给定值信号特点来分类：1.定值控制系统。
2.程序控制系统。
3.随动控制系统。
1.2过程控制任务过程控制工程是一门工业自动化专业的专业必修课。
自动化仪表（包括模拟仪表、智能仪表）、微型计算机是构成过程控制的重要自动化技术工具，是实现工业生产自动化的重要装置，也是实现过程控制的前提。
控制工程第4章_系统的瞬态响应与误差分析
准确性。
*
17
4-1 时间响应
➢ 求系统时间响应的方法：
➢系统的快速性
快速性是指输出量和输入量产生偏差时，系统消除 这种偏差的快慢程度。
*
4
引言
➢ 二阶系统G(s)=ωn2/(s2+2ζωns+ωn2)的单位阶跃响应曲线
二阶系统 G (s) n 2/(s2 2 n s n 2)的单位阶跃响应曲线
2
=0
1.8
1.6
1.4
允 差
=0.4 =0.7 =1
y(t) 输出 Y(s)
Y (s)G (s)X (s)
系统对任意输入的响应
y ( t) L 1 [ Y ( s ) ] L 1 [ G ( s ) X ( s ) ]
*
零状态响应
18
4-2 一阶系统的时间响应
1. 一阶系统的数学模型 2. 一阶系统（惯性环节）的单位阶跃响应 3. 一阶系统（惯性环节）的单位脉冲响应 4. 一阶系统（惯性环节）的单位斜坡响应
*
14
4-1 时间响应
➢瞬态响应ctr(t)：对稳定的系统，瞬态响应是指时 间响应中随着时间的增加而逐渐减小，最终趋于0 的那部分响应。
➢教材中的定义：系统受到外加作用激励后，从初 始状态到最终状态的响应过程称为瞬态响应。指 的是稳定状态之前的整个时间响应过程。
➢稳态响应css(t)：是指当时间趋于无穷大时系统的 输出状态。
过程控制工程第三版教学设计 (2)
过程控制工程第三版教学设计介绍过程控制工程作为现代工业的必要部分，涉及各种自动化领域，广泛应用于制造业、供应链管理、交通运输等行业。
本教学设计旨在讲解过程控制工程的基础知识，培养学生对控制系统的建模、仿真、设计和优化的能力。
本文将对本课程的教学内容、教学方法、教学评估等方面进行详细说明。
教学内容第一章：引言•引言和绪论•过程控制系统的组成•过程控制系统的分类第二章：控制系统的数学模型•控制系统的建模•四个基本元素及其表示•闭环系统和开环系统•传递函数和状态空间模型第三章：控制系统的时域分析•阶跃响应和脉冲响应•频域分析及其应用•稳态错误•稳态响应第四章：校准与调节•校准与调节的基础概念•模型参数识别•方法的评估第五章：控制器设计•PID控制器•线性二次调节器•稳定裕度的概念第六章：反馈控制•比例控制•积分控制•微分控制第七章：高级控制技术•前馈控制•向前控制•模型预测控制第八章：实时系统模拟•模拟算法的类型•实时控制器的优化•模拟软件的性能第九章：嵌入式控制系统•嵌入式系统的概念•嵌入式控制器的设计•嵌入式系统的性能评估第十章：工业自动化控制•工业自动化控制的概念•工业自动化系统的组成•工业自动化控制的应用案例教学方法讲授课程讲师通过PPT、教材、案例展示等方式深入浅出地讲解过程控制工程的知识点和相关技术，引导学生理解课程内容。
实践任务讲师会为学生设计一系列实践任务，让学生通过具体场景的模拟实践掌握过程控制工程的技术，如控制系统的建模与仿真、控制器设计、校准与调节等。
讨论课鼓励学生在讨论课上自由发言，互相交流学习成果，共同解决过程控制工程中出现的问题。
课程设计通过小组合作，让学生分别独立完成一项过程控制工程的设计任务，将学习成果应用于实际工程中进行实践。
教学评估课堂测试每周进行一次小测试，以检验学生对课程知识的掌握程度，提高他们的学习积极性。
平时作业安排一些课后作业来强化学生对知识点的理解和掌握，如编写控制系统的模型等。
过程控制工程课程设计
过程控制工程 课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握过程控制工程的基本概念，理解控制系统的结构、原理及分类。
2. 使学生了解过程控制系统中各环节的作用，掌握主要参数的测定与调整方法。
3. 帮助学生理解过程控制系统的数学模型，并学会运用相关理论分析控制系统的性能。
技能目标：1. 培养学生运用所学理论知识，分析实际过程控制工程问题的能力。
2. 培养学生设计简单的过程控制系统方案，并进行模拟与优化的能力。
3. 培养学生团队协作、沟通表达和动手实践的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对过程控制工程的兴趣，激发他们探究未知、解决问题的热情。
2. 培养学生严谨、务实的科学态度，使他们具备良好的工程素养。
3. 引导学生关注过程控制工程在国民经济和生活中的应用，提高他们的社会责任感。
本课程针对高年级学生，结合过程控制工程学科特点，注重理论与实践相结合，旨在提高学生的专业知识水平、实际操作能力和综合素养。
课程目标明确、具体，便于教师进行教学设计和评估，同时有利于学生明确学习方向，提高学习效果。
二、教学内容1. 过程控制工程基本概念：控制系统定义、分类、性能指标。
教材章节：第一章第一节2. 控制系统数学模型：传递函数、方框图、信号流图。
教材章节：第一章第二节3. 控制系统元件及环节：传感器、执行器、控制器、滤波器等。
教材章节：第二章4. 过程控制系统设计：系统建模、控制器设计、系统仿真。
教材章节：第三章5. 常见过程控制系统分析：PID控制、模糊控制、自适应控制。
教材章节：第四章6. 过程控制系统应用实例：化工、热工、电力等领域。
教材章节：第五章教学内容安排和进度：第一周：过程控制工程基本概念第二周：控制系统数学模型第三周：控制系统元件及环节第四周：过程控制系统设计第五周：常见过程控制系统分析第六周：过程控制系统应用实例教学内容根据课程目标进行选择和组织，确保科学性和系统性。
通过制定详细的教学大纲，明确教材章节和内容，有助于教师按计划进行教学，同时便于学生跟进学习进度。
《控制工程基础》第四章根轨迹
4.2 根轨迹幅值条件与相角条件
LOGO
相角条件：
s1,2 1 1 2K
K s(0.5s 1)
G s H s s (s 2) 180 2k 1k 0,1,2,
（0，+ ∞ ） ；
（-2,0）；
（- ∞，-2 ） ；
实轴以外 ；
用幅值条件可以计算
出各根轨迹点上的开环根
轨迹增益K*。
Page 12
ds
即s2 12s 24 0
解之，得 s1 2.54, s 2 9.46
相应的增益为
K
1
1 .0 7 , Page 21
K
2
14.9
4.3 绘制根轨迹的基本法则
LOGO
方法2 设系统开环传递函数为
GsH s
K s s
z1 s z2 s zm p1 s p2 s pn
Gs
H
s
K s
1s 12s
T s 1 T s 1 Page 10
2
1 1
4.2 根轨迹幅值条件与相角条件
LOGO
G s H
s
K* s s
z1 s z2 p1 s p2
s zm s pn
K * Az1e jz1 A e j p1
p1
A e jzm zm
A e j pn pn
LOGO
传递函数：
Gb
s
1
Gs G s H
s
特征方程（根轨迹方程）：1+G(s)H(s)=0 或写作 G(s)H(s)= -1
相角条件： GsH s 180 2k 1 k 0,1,2,
幅值条件： GsHs 1
GsH s
《控制工程基础》第四章习题解题过程和参考答案
4-1 设单位反馈系统的开环传递函数为：10()1G s s =+。
当系统作用有下列输入信号时：()sin(30)r t t =+︒，试求系统的稳态输出。
解：系统的闭环传递函数为：10()()11()()1()111C s G s s R s G s Φ===++这是一个一阶系统。
系统增益为：1011K =，时间常数为：111T =其幅频特性为：()A ω=其相频特性为：()arctan T ϕωω=-当输入为()sin(30)r t t =+︒，即信号幅值为：1A =，信号频率为：1ω=，初始相角为：030ϕ=︒。
代入幅频特性和相频特性，有：1(1)A ====11(1)arctan arctan5.1911T ωϕω==-=-=-︒ 所以，系统的稳态输出为：[]()(1)sin 30(1)24.81)c t A A t t ϕ=⋅⋅+︒+=+︒4-2 已知系统的单位阶跃响应为：49()1 1.80.8(0)t t c t e e t --=-+≥。
试求系统的幅频特性和相频特性。
解：对输出表达式两边拉氏变换：1 1.80.8361()49(4)(9)(1)(1)49C s s s s s s s s s s =-+==++++++ 由于()()()C s s R s =Φ，且有1()R s s=（单位阶跃）。
所以系统的闭环传递函数为：1()(1)(1)49s s s Φ=++可知，这是由两个一阶环节构成的系统，时间常数分别为：1211,49T T ==系统的幅频特性为二个一阶环节幅频特性之积，相频特性为二个一阶环节相频特性之和：3-212()()()A A A ωωω===1212()()()arctan arctan arctanarctan49T T ωωϕωϕωϕωωω=+=--=--4-3 已知系统开环传递函数如下，试概略绘出奈氏图。
（1）1()10.01G s s=+（2）1()(10.1)G s s s =+（3）)1008()1(1000)(2+++=s s s s s G （4）250(0.61)()(41)s G s s s +=+ 解：手工绘制奈氏图，只能做到概略绘制，很难做到精确。
控制工程,第四章
实轴开始，以反时针旋转（或顺时针旋转）
来定义的；
② 在极坐标图上，G(jw) 在实轴和虚轴上
的投影是它的实部和虚部；
③ 它不仅表示了实频特性和虚频特性，而
且也表示了幅频性和相频特性。
控制工程基础
二、典型环节的极坐标图
第四章 频域分析法
一般系统都是由典型环节组成，熟悉典型环 节的频率特性，对了解系统的频率特性和分析系 统的动态特性带来很大的方便。
解：G(j)G(s)sj1K jT
控制工程基础
A()G(j) K 1T22
()G(j)arctgT
第四章 频域分析法
G(j) K ejarctgT 1T22
系统的稳态输出：
xo(t)Ai G(j)sin[tG(j)] KAi sin[tarctgT] 1T22
控制工程基础
第四章 频域分析法
（2）前一项为稳态响应，当 t ts 时，系统的输 出即可视为稳态响应。
xo(t)
AiK sint(arct)gT 1T22
控制工程基础
第四章 频域分析法
故频率特性： A() Ao K
Ai 1T22 () arctgT
或
K
ejarctgT
1T22
2、将传递函数中，s换为 j 来求取：
例2：用方法2求解例1。
控制工程基础
第四章 频域分析法
第二节 频率特性极坐标图(Nyquist)
一、频率特性极坐标图表示
频率特性的极坐标图又称Nyquist图，也称 幅相频率特性图。
极坐标图是当 j 由零变化到无穷大时，矢 量 G( j) 极坐标系统上端点的轨迹。
控制工程基础
第四章 频域分析法
注意：
① 在极坐标图上，正（或负）相角是从正
过程 控制 第四章
第四章 被控过程
dh(t) 无延迟系统微分方程： To h(t ) K oQ1 (t ) dt
有纯延迟时间 0的系统微分方程： dh(t) To h(t ) K oQ1 (t 0 ) dt
有纯迟延的单容水槽传递函数：
K o o s Wo ( s) e To s 1
dh(t) 对应微分方程 To h(t ) K oQ1 (t ) dt
其解为： K oQ1 (1 e h(t)
其中： To R2C ：对象时间常数
16
1 To
)
K o R2 ： 对象放大系数
成都信息工程学院控制工程系
第四章 被控过程
3、有纯延迟的单容水槽数学模型
17
成都信息工程学院控制工程系
6
成都信息工程学院控制工程系
第四章 被控过程
⑵非自衡过程 扰动发生后，被控量不断变化，最后不再平衡 下来，则该过程无自衡能力，称非自衡过程。
7
成都信息工程学院控制工程系
第四章 被控过程
⑶单容和多容过程
被控过程都具有一定储存物料或能量的能力 ，其储存能力的大小，称为容量。 所谓单容 过程，就 是指只有 一个储蓄 容量的过 程。
36
成都信息工程学院控制工程系
第四章 被控过程
两点法
37
成都信息工程学院控制工程系
第四章 被控过程
①过程的静态放大系数 y () y (0) K r ②T和τ
y (t ) y (t ) y ( )
*
0 * y (t ) t1 1 e T0
t t
24
成都信息工程学院控制工程系
第四章 被控过程
控制工程基础第四章控制系统的稳定性分析
此阵列称为劳斯阵列（劳斯表）。其中，各未知元素 b1,b2,b3,b4,，
c1 , c2 , c3 , c4 , ，
e1,e2 ,
f
,
1
g 1
根据下列公式计算：
b1
a1
a2 a0 a1
a3
,b2
a1
a4 a0 a1
a5
,b3
a1
a6 a0 a1
a7
,
c1
b1
a3 a1b2 b1
,
c2
b1
X
0
(s)
s
A1 p
A2 s p
Aj s p
An s p
1
2
j
n
式中，A1，A2，…，Aj，…，An为待定系数。对其进行拉氏反变换，
得单位脉冲响应函数为
x A e A e A e A e (t)
pt 1
pt 2
pjt
pt n
0
1
2
j
n
A e n
j 1
pt j
j
根据稳定性的定义，若系统稳定，应有
a a a a 0
0
0
0
ao (s
p )(s 1
p )(s 2
p) n
0
式中，p1，p2，…，pn为系统的特征根。
由根与系数的关系可知，若使全部特征根p1，p2，…，pn均具有 负实部，系统必须满足以下条件： （1）特征方程的各项系数a0，a1，a2，…，an都不等于零。 （2）特征方程的各项系数a0，a1，a2，…，an的符号都相同。 在控制工程中，一般取a0为正值，则系统稳定的必要条件为：特征方 程的各项系数a0，a1，a2，…，an均必须为正值。若a0为负值，可在特 征方程的两边同乘以-1使其变为正值。
控制工程基础_第四章
二．频率特性的求法
频率特性的求法有三种
１．根据已知系统的微分方程，把输入以正弦函数代入 ，求其稳态解，取其输出的稳态分量与输入正弦的 复数比即得系统的频率特性。 ２．根据传递函数求取，将传递函数G(s)中的s用j替代 ，即为频率特性G(j)。 ３．通过实验测得。
它描述了稳态情况下，系统输出与输入之间的幅值比随频率的 变化情况，即幅值的衰减或放大特性。
系统的相频特性定义：输出信号与输入信号的相位之差随频 率的变化，记为()。
它描述了输出相位对输入相位的滞后或超前特性。
幅频特性A()和相频特性()统称为系统频率特性，记作 G(j)。频率特性G(j)是频率的复变函数，是一个矢量。
Y ( s ) p ( s ) G ( s ) X ( s ) ( s p )( s p ) ( s p ) 1 2 n
X s
2 2
于是输出量的拉氏变换为
X Y ( s ) G ( s ) X ( s ) 2 2 ( s ps ) ( p ) ( s p ) s 1 2 n p ( s )
y ( t X X G ( j ) aY ( s ) ( s j ) G ( s ) ( s j ) s 2 j
X X G ( j) a Y ( s ) ( s j) G ( s ) ( s j) s j s j 2 2 s 2 j
频率特性分析方法具有如下特点：
可通过分析系统对不同频率的稳态响应获得系统动态 特性。 频率特性有明确物理意义，可用实验方法获得。
这对那些不能或难于用分析方法建立数学模型的系统或环节， 具有非常重要的意义。即使对于能用分析法建模系统，也可 通过频率特性实验对其模型加以验证和修改。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
F t
均匀控制目的：两参数都允许在一定范围内波动，但波 动都不大
4.1 均匀控制问题的提出及特点
均匀控制系统的特点
（1）结构上无特殊性 可以是单回路，可以是串级，均匀是指控制目 的，而不是指 结构。 （2）参数都要允许变化，但都要缓慢，并且要有主次 （3）参数变化要限定范围（非定值控制，而是定范围 控制） 注意：明确均匀控制意图。
第 章
均匀控制系统
4.1 均匀控制问题的提出及特点 4.2 均匀控制方案
4
4.3 均匀控制系统的理论分析
4.4 其他需要说明的问题
实验：均匀控制系统实验
教学进程
4.2 均匀控制方案
4.2.1常用的结构形式 （1）简单均匀控制 结构与单回路相同，在控制器参数整定上不同，较 大的比例度和积分时间（弱控制作用） 适用于干扰不大，要求不高的场合
方法和步骤：见P88
第 章
均匀控制系统
4.1 均匀控制问题的提出及特点 4.2 均匀控制方案
4
4.3 均匀控制系统的理论分析
4.4 其他需要说明的问题
实验：均匀控制系统实验
教学进程
4.3 均匀控制系统的理论分析
常规的基于传递函数分析方法（略） 课本中介绍的关联系统分析方法
G1V G G2V
教学进程
4.4 其他需要说明的问题
4.4.1 气体压力与流量的均匀控制
对于汽相物料，前后设备间的均匀控制一般是压力和流量 的串级均匀控制，P90图4-12
PC
FC 去加氢反应器
精 馏 塔
分离器
回流泵
4.4.2 实现均匀控制的其他方法 也可以采用非线性控制实现 （第8章）
G11 G G21 G12 G22
G G1V G2V
G
u1 u2
x1 x2
图4—6 单输入双输出均匀控制系统
图4—7 双输入双输出均匀控制系统
第 章
均匀控制系统
4.1 均匀控制问题的提出及特点 4.2 均匀控制方案
4
4.3 均匀控制系统的理论分析
4.4 其他需要说明的问题
实验：均匀控制系统实验
4.2.3 参数整定
串级均匀控制中的流量副控制器按普通流量控制器进行整定， 其它形式的控制器都需要按均匀控制的要求进行整定。
整定的原则——“慢”，过渡过程不能出现振荡 ①以保证液位不超出允许的波动范围，先设置好控制器参数。 ②修正控制器参数，充分利用容器的缓冲作用，使液位在最 大允许的范围内波动，输出流量尽量平稳。 ③根据工艺对流量和液位两个参数的要求，适当调整控制器 的参数。
乙 塔
L C
甲 塔
F C
甲塔控制液位，而乙塔要控制进料量，出现矛盾
4.1 均匀控制问题的提出及特点
解决办法：工艺上可在两塔之间加入缓冲罐 ——增加投资 控制系统上解决——均匀控制系统 做法：把两参数统一考虑，只设置一个控制系统， 如LC，然后调整控制器参数
F L t
（a）KC较大 （b）KC较小
L L F t
4.2.2
控制规律的选择
简单均匀：控制器——纯比例，或比例积分 串级均匀：主控制器——纯比例，或比例积分
副控制器——纯比例，或比例积分 双冲量均匀：控制器——比例积分 不能加微分控制规律 利：积分的引入对液位参数有利，液位不越限，高频噪声 弊：积分的引入对流量信号不利，平衡状态过程很短，积 分饱和
LC
LC
FC
图4-3简单均匀控制方案
图4-4 串级均匀控制方案
4.2.1 常用的结构形式
（2）串级均匀控制 结构与串级系统相同，主控制器与简单均匀控制器参数 设置相同。 （3）双冲量均匀控制 “冲量”—信号， “双冲量”— 一个控制 器 综合两个测量信号，
FC
I0
I0=IL-IF+IS
IS
IF
图 液位和流量 I0=IL-IF+IS ， 稳定时，IL和IF的符号相反，抵消，IS
第 章
均匀控制系统
4.1 均匀控制问题的提出及特点 4.2 均匀控制方案
4
4.3 均匀控制系统的理论分析
4.4 其他需要说明的问题
实验：均匀控制系统实验
教学进程
4.1 均匀控制问题的提出及特点
过程生产的连续性——物料连续，前一设备出，后一设备进, 前后设备的控制系统经常会出现不协调（矛盾）。
如串联精馏塔系统