《过程控制》讲义-2new
过程控制讲义课件(全套)
为了按所希望的效率，质量和产量生产出产品， 将过程内各部分的变量控制在所希望的值．即完成对 诸如温度，压力，流量，液位（物位）等参数量的生 产过程的自动调节。
4
1.2 过程控制的任务
4. 过程控制的任务：
在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特 性基础上，根据生产工艺的要求，应用控制理论对系统
计算机过程控制系统框图
计算机代替模拟调节 器 计算机过程控 制系统
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1.3 过程控制系统的组成
例3 集散控制系统（DCS)
(1)过程输入－输出接口 (2)过程控制单元 (3)数据高速通路 (4)CRT操作站 (5)管理计算机(－上位机)
集散控制系统基本组成框图
16
1.3 过程控制系统的组成
(1) 过程输入—输出接口：它是带有微处理器的智能装置， 主要用于采集过程信息(模拟量和数字量)，故又称其为 数据采集站。它能完成数据采集与预处理，对实时数据 作进一步的加工，提供CRT操作站的显示与打印。同时， 在有管理计算机的情况下，它可以用模拟量与开关量的 方式向过程终端输出计算机的控制指令。
过程控制
第一章
本章主要内容
1. 过程控制的基本概念 2. 过程控制的任务 3. 过程控制系统的组成 4. 过程系统的分类 5. 过程控制的特点 6. 过程控制的发展状况 7. 课程内容简介
绪论
2
1.1 过程控制的基本概念
1. 工业自动化：
利用各种自动化装置对工厂或企业的生产设备或生 产过程进行的自动监测,自动调节,自动控制,自动显示 及管理等。
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1.3 过程控制系统的组成
转炉供氧量控制系统框图
控制系统均由测量元件、变送器、调节器、调节阀和 被控过程等环节构成。如果把测量元件、变送器、调 节器和调节阀统称为过程检测控制仪表，则一个简单 的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两 部分组成的。
过程控制实验讲义
对象特性测试实验对象特性是指对象在输入的作用下，其输出的变量（即被控变量）随时间变化的特性。
对象特性测试实验的目的：通过实验掌握单、双容对象特性曲线的测量方法，根据曲线和先验知识确定对象模型结构和模型参数。
测量时应注意的问题：液位对象是自衡对象，单个水槽是一阶对象，上水槽与下水槽可以组成二阶对象，下水箱形状为长方体，其横截面积为：。
对象参数的求取：一、传递函数的求取1、一阶对象在0.632倍的稳态值处求取时间常数T0。
2、一阶加纯滞后的对象对于有纯滞后的一阶对象，如图2所示，当阶跃响应曲线在t=0时，斜率为0；随着t 的增加，其斜率逐渐增大；当到达拐点后斜率又慢慢减小，可见该曲线的形状为S 形，可用一阶惯性加时延环节来近似。
确定K 0、T 0和τ的方法如下：00/)]0()([1)(x y y K s T K s W o -∞=+=/)]0()([01)(0x y y K e s T K S W so -∞=+=-τ在阶跃响应的拐点（即斜率的最大处）作一切线并与时间坐标轴交与C 点，则OC 段的值即为纯滞后时间τ，而与CB 段的值即为时间常数T0。
3、二阶或高阶对象二阶过程的阶跃响应曲线，其传递函数可表示为式中的K 0、T 1、T 2需从阶跃响应曲线上求出。
先在阶跃响应曲线上取（1） y （t ）稳态值的渐近线y （∞）；（2） y （t1）=0.4 y （∞）时曲线上的点y1和相应的时间t1； （3） y （t2）=0.8 y （∞）时曲线上的点y2和相应的时间t2； 然后，利用如下近似公式计算T 1、T 2。
（4）（5） 对于二阶过程，0.32<t1/t2<0.46。
当t1/t2=0.32时，为一阶环节（此时，时间常数T0=（t1+t2）2.12）；当t1/t2=0.46时，过程的传递函数W （s ）=K 0/（T 0S+1）（T 0S+1）（此时，T1=T2=T0=（t1+t2）/2×2.18）；当t1/t2>0.46时，应用高于二阶环节来近似。
过程控制教学大纲
过程控制教学大纲一、课程简介过程控制是自动化领域中的重要组成部分，广泛应用于化工、石油、电力、冶金等工业生产过程中。
本课程旨在让学生掌握过程控制的基本原理和方法，学会分析和设计过程控制系统，提高解决实际问题的能力。
二、课程目标1、掌握过程控制的基本概念、原理和常用控制算法；2、了解过程控制系统的组成、特点和分类；3、掌握过程控制系统的设计和调试方法；4、学会对过程控制系统进行性能评估和优化；5、培养解决实际问题的能力，提高综合素质。
三、课程内容1、过程控制概述：过程控制的基本概念、发展历程和应用领域；2、过程控制系统组成：工艺流程、自动化仪表、控制系统和执行机构等；3、过程控制系统设计：控制方案设计、控制系统选型、控制系统集成和调试等；4、过程控制算法：PID控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等；5、过程控制系统性能评估与优化：性能指标评估、系统优化和改进措施等；6、典型过程控制系统案例分析：化工、石油、电力、冶金等行业的典型过程控制系统案例分析。
四、课程安排本课程共分为理论教学和实践教学两个部分。
理论教学部分包括以上六个方面的内容，实践教学部分包括实验、课程设计和综合实践等环节。
具体安排如下：1、第一讲：过程控制概述（2学时）；2、第二讲：过程控制系统组成（4学时）；3、第三讲：过程控制系统设计（4学时）；4、第四讲：过程控制算法（4学时）；5、第五讲：过程控制系统性能评估与优化（2学时）；6、第六讲：典型过程控制系统案例分析（2学时）；7、第七讲：实验环节（4学时）；8、第八讲：课程设计和综合实践环节（8学时）。
五、教学方法本课程采用多媒体教学、案例分析和实验相结合的教学方法。
通过多媒体教学，使学生对过程控制的基本概念和原理有更直观的认识；通过案例分析，使学生了解实际生产过程中遇到的问题及解决方法；通过实验环节，使学生能够亲手操作和体验过程控制系统的运行与调试。
六、考核方式本课程采用平时成绩和期末考试相结合的考核方式。
《过程控制》课件
感谢观看
THANKS
通过精确控制冶金过程中的各种参数，实现 高效、低耗、高质量的冶金生产。
详细描述
在冶金过程中，自动化控制系统通过对熔炼 、连铸、轧制等环节的温度、压力、流量、 成分等参数的监测和调节，实现高效、低耗 、高质量的生产。这有助于提高冶金产品的 质量和降低生产成本。
电力过程控制实例
总结词
通过自动化技术实现对电力生产过程的控制 ，确保电力供应的稳定和安全。
工业4.0与过程控制的融合发展
总结词
工业4.0强调的是数字化、智能化和互联化，与过程控制技术的融合将推动工业生产的进一步升级。
详细描述
工业4.0通过物联网、边缘计算等技术，实现设备间的互联互通和数据共享，为过程控制提供了更广阔的应用场 景。同时，工业4.0也促进了生产过程的自动化和智能化，提高了生产效率和产品质量。
工业网络与安全问题挑战
工业网络安全挑战
随着工业自动化和信息化的发展，工业控制系统越来 越多地通过网络进行数据交换和远程控制，这使得工 业控制系统面临网络安全威胁和攻击的挑战。
数据安全挑战
工业控制系统中的数据涉及到企业的核心机密和生产 安全，一旦泄露或被篡改，将给企业带来巨大的经济 损失和安全风险。
要点二
稳定性挑战
在某些情况下，控制系统可能受到外部干扰或内部参数变 化的影响，导致系统稳定性下降，甚至出现振荡或发散。
复杂过程与非线性系统挑战
复杂过程挑战
许多实际的过程控制系统具有非线性、时变、不确定性 和耦合等特性，这使得对系统的建模和战
非线性系统在控制过程中表现出复杂的动态行为，如跳 跃、分岔和混沌等，这使得传统的线性控制方法难以应 对。
化工过程控制实例
总结词
SPC培训资料
a.样本平均数 表示数据集中位置，常用符号 表示，其计算公司为：式中： ——样本的算术平均值 N ——样本数例如，有统计数据x1,x2,x3.x4,x5为2,3,4,5,6五个数据，则其平均数据为： 2+3+4+5+6 X = ————— =4 5
2、控制图的发展
控制图（SPC）的起源和发展
定义---控制图是对过程品质特性值进行测量、记录、评估，从而监视过程是否处于控制状态的一种用统计方法所设计出來的图表。 图上有中心线、上控制限和下控制限，并有按时间顺序抽取的样本统计,所得数值的描绘点。
三、控制图常用术语
设计规格与控制界限设计规格：规格上限（USL），目标值（SL），规格下限（LSL）之间的关系。双边规格，不对称规格，单边规格（上，下）定义。控制界限：控制上限（UCL），控制中心（CL），控制下限（LCL）之间的关系。控制界限是基于制程的数据而不是制造的规格。如果过程受控的话，计算的控制界限要比设计规格严。如果过程受控，但产品仍然不合格，则说明现有的生产工艺生产不出符合条件的产品。
波动源
基本原理：预防为主是SPC的重要原则工序诊断是排除异动的主要手段必须有效利用系统分析方法归纳起来20个字： 查找异因（特殊原因），采取措施， 加以消除，纳入标准，不再发生。
SPC统计过程控制第二版PPT_讲义
控制图
质量特性分类
❖ 计量型：用各种计量仪器测出、以数值形 式表现的测量结果，包括用量仪和检测装 置测的零件直径、长度、形位误差等，也 包括在制造过程状态监控测得的切削力、 压力、温度、浓度等。
❖ 计数型：通常是指不用仪器即可测出的数 据。计件如不合格件数；计点如PCB上的 漏焊数、溢胶数等
样本容量
是否恒定？
是
否
np或p图 p图
关心的是 单位零件缺陷数吗？
是
样本容量 是否恒定？
是
否
C或U图 U图
计量型控制图
计数型控制图
IV. 控制图应用的二个阶段
❖ 分析阶段 ❖ 控制阶段
Process： （过程）有输入-输出的一系列 的活动；
Control： （控制）事物的发展和变化是 可预测的；
SPC的基本原理
▪ 波动无处不在 ▪ 正常波动和异常波动 ▪ 通过保持过程受控和稳态提高过程能力和品
质水平
2. 一定时间后检验控制图还是否适用； 3. 过程能力值有大的变化时。
V. 控制限的计算方法
x R控制图的控制限计算
1.计算各组样本统计量，如样本平均值、极差及总平均
值：
x x1 x2 x3 ...... xn n
R xmax xmin
Cp USL LSL (当USL、LSL都存在时）
6ˆ
Cr（或Cpr） 1（常以百分数表示） Cp
Cpu USL x（当USL存在时）
3ˆ
Cpl x LSL（当LSL存在时）
3ˆ
Cpk Min（USL x ，x LSL）
3ˆ
过程控制课件资料PPT教案
特点：负荷或操作条件改变导致过程 特性改变。 若：单回路控制，需随时改变调节器 整定参数以保证系统的衰减率不变
16:37
换热器呈非线性特性
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20
6.1.4 串级控制系统的设计
问题：副参数如何选择？主、副 回路的联系？调节器如何选择？ 正、反作用如何选择？
1. 副回路的设计与副参数的选择 选择原则：
用同样的分析方法，可得：
串级控制系统：
16:37
单 0' 1 '2
1 '2 T01 T02
2 '
T01T02
串 0 1 2
1 2 T01 T02 '
2
T01T02 '
第14页/共27页
15
若两种方案的阻尼系数相同，则有：
结论：
G单串02'(s)TT00111TTK0K022'cc22KKTT0v0v11KKTT0m002222'
结论：提高了控制质量
16:37
10
第9页/共27页
2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率 （1）等效时间常数减小，响应速度加快；
串级控制系统
单回路系统
GG020' 2'ssXY2XY222ssss11GGcG2cG2c2sc2ssGsGvGvGsvsvsGsG0G20G202s02ssGsGm2m2ssGGc2c(2s()sG)Gv(vs()sG)G020(2s()s)
主、副被控过程时常不能太大也 不能太小
频率的比值大于3，时常的比值在3～ 10范围内选择
16:37
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23
（4）应综合考虑控制质量和经济性要求
过程控制-第二讲 过程控制基础
反馈控制系统 串级控制系统 前馈控制系统 比值控制系统
结构分类
开环控制系统 闭环控制系统
难易程度
简单控制系统 复杂控制系统
控制信号
2020/4/21
模拟控制系统 数字控制系统 按给定值
第二讲 过程控制系统基础知识
定值控制系统 随动控制系统 顺序控制系统
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3. 过程控制系统的性能指标
基本概念：
统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指 标要求。
2020/4/21
第二讲 过程控制系统基础知识
14
4. 被控对象的特性
过程控制系统的控制品质，是由组成系 统的各环节的特性所决定的，特别是被 控对象的特性对整个控制系统的运行的
好坏有着重大影响。外因与内因？
物质或能量流入
被控对象
物质或能量流出
2020/4/21
第二讲 过程控制系统基础知识
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• 放大倍数K
– 在系统稳定条件下，输入量与输出量之间的 对应关系——系统的静态特性。
– 如：h=KQ+C 或 h=K Q • K值越大，系统灵敏度越高。 • 在实际工艺系统中，通常采用比较K值的方法
来选择主要控制参数。当然，由于工艺条件和 生产成本的制约，实际上并不一定都选择K值 最大的因素作为主控参数。
• 仪表化阶段（50～60年代）
标志：现代控制理论大发展+单元组合仪表
• 综合自动化阶段（70年以后）
标志：大规模集成电路+微处理器
局部控制全局控制
• 智能控制阶段（90年以来）
标志：管理与控制+互联网+无线通信的集成
智能化、远程化
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第二讲 过程控制系统基础知识
公共基础知识过程控制技术基础知识概述
《过程控制技术基础知识概述》一、引言过程控制技术在现代工业生产中起着至关重要的作用，它能够确保生产过程的稳定、高效运行，提高产品质量，降低生产成本。
随着科技的不断进步，过程控制技术也在不断发展和创新，从传统的模拟控制到现代的数字化、智能化控制，其应用范围越来越广泛。
本文将对过程控制技术的基础知识进行全面的阐述与分析，包括基本概念、核心理论、发展历程、重要实践以及未来趋势。
二、基本概念1. 过程控制的定义过程控制是指对生产过程中的物理量（如温度、压力、流量、液位等）进行自动控制，使其在一定的范围内保持稳定，以满足生产工艺的要求。
2. 控制系统的组成过程控制系统通常由被控对象、传感器、变送器、控制器和执行器等部分组成。
被控对象是指需要进行控制的生产过程或设备；传感器用于检测被控对象的物理量，并将其转换为电信号；变送器将传感器输出的电信号转换为标准信号，以便传输和处理；控制器根据给定值和测量值的偏差，按照一定的控制规律计算出控制信号；执行器根据控制信号对被控对象进行控制，如调节阀门开度、改变电机转速等。
3. 控制方式过程控制的方式主要有开环控制和闭环控制两种。
开环控制是指控制信号只根据给定值进行计算，不考虑被控对象的实际输出；闭环控制则是将被控对象的实际输出反馈到输入端，与给定值进行比较，根据偏差进行控制。
闭环控制具有较高的控制精度和稳定性，但系统结构相对复杂。
三、核心理论1. 反馈控制理论反馈控制是过程控制的核心理论之一，它基于被控对象的输出反馈，通过调整控制信号来减小给定值与实际输出之间的偏差。
反馈控制可以分为比例控制、积分控制和微分控制三种基本控制方式，分别对应着对偏差的比例、积分和微分响应。
通过合理组合这三种控制方式，可以实现不同的控制性能要求。
2. 现代控制理论现代控制理论是在经典控制理论的基础上发展起来的，它采用状态空间法对控制系统进行描述和分析。
现代控制理论可以处理多输入多输出系统、非线性系统和时变系统等复杂控制问题，具有更高的控制精度和鲁棒性。
《过程控制基础知识》PPT课件
名称
公式
特点
控制结果
适用范围
绝对偏差积分
鉴定指标（IAE）
IAE e(t)dt
把不同时刻、不同 幅值的偏差等同对 待
0
各方面的性能比较 均衡
一般用于评定定值 控制系统的质量指 标
偏差平方积分
鉴定指标（ISE）
IAE e2 (t)dt
控制系统的 动态过程
被控变量不随时间变化的 平衡状态
被控变量随时间变化的状 态
1.静态（或稳 态） 在自动控制系统中，被控变量不随时间变化的平 衡状态，称为系统的静态（或稳态）.
在保持平衡时环节的输出与输入关系称为环 节的静态特性。
2.动态（或暂 态） 在自动控制系统中，被控变量随时间变化的状态， 称为系统的动态（或暂态）.
执行控制器指 令，改变操纵 变量，对生产 过程实施控制 作用
对被控变量进 行检测并转换 成标准统一号 送控制器
1.1.2 过程控制系统组成 在生产过程中有各种各样的控制系统，
下图所示为几个简单控制系统的示例。
1.1.3自动控制系统的方框图
控制理论中的常用术语：
• 给定值：生产过程中所期望的参数值。 • 测量值：测量变送输出值。 • 偏差：给定值与测量值之差。 • 被控变量：生产过程希望控制好的变量。 • 操纵变量：控制阀操纵的变量。 • 扰动量：破坏系统平衡状态的外界因素。 • 控制作用：控制器输出对生产过程的影响。 • 扰动作用：扰动量对生产过程的影响。
系统的动 态特性
系统处于动态时的输出与输入之间的 关系称为系统的动态特性。
3．静态与动态的辩证关系
以哲理的观点看，在自动控制系统中，静态是暂时的、相对的、 有条件的，动态才是普遍的、绝对的、无条件的。
《过程控制》
《过程控制》课程笔记第一章概论一、过程控制系统组成与分类1. 过程控制系统的基本组成过程控制系统主要由被控对象、控制器、执行器、检测仪表四个部分组成。
（1）被控对象：指生产过程中的各种设备、机器、容器等，它们是生产过程中需要控制的主要对象。
被控对象具有各种不同的特性，如线性、非线性、时变性等。
（2）控制器：控制器是过程控制系统的核心部分，它根据给定的控制策略，对检测仪表的信号进行处理，生成控制信号，驱动执行器动作，从而实现对被控对象的控制。
控制器的设计和选择直接影响控制效果。
（3）执行器：执行器是控制器与被控对象之间的桥梁，它接收控制器的信号，调节阀门的开度或者调节电机转速，从而实现对被控对象的控制。
执行器的响应速度和精度对控制系统的性能有很大影响。
（4）检测仪表：检测仪表用于实时测量被控对象的各项参数，如温度、压力、流量等，并将这些参数转换为电信号，传输给控制器。
检测仪表的准确性和灵敏度对控制系统的性能同样重要。
2. 过程控制系统的分类根据控制系统的结构特点，过程控制系统可以分为两大类：开环控制系统和闭环控制系统。
（1）开环控制系统：开环控制系统没有反馈环节，控制器根据给定的控制策略，直接生成控制信号，驱动执行器动作。
开环控制系统的优点是结构简单，成本低，但缺点是控制精度较低，容易受到外部干扰。
（2）闭环控制系统：闭环控制系统具有反馈环节，控制器根据检测仪表的信号，实时调整控制策略，生成控制信号，驱动执行器动作。
闭环控制系统的优点是控制精度高，抗干扰能力强，但缺点是结构复杂，成本较高。
二、过程控制系统性能指标1. 稳态误差：稳态误差是指系统在稳态时，输出值与设定值之间的差值。
稳态误差越小，表示系统的控制精度越高。
稳态误差可以通过调整控制器的参数来减小。
2. 动态性能：动态性能是指系统在过渡过程中，输出值随时间的变化规律。
动态性能指标包括上升时间、调整时间、超调量等。
动态性能的好坏直接影响到系统的响应速度和稳定性。
管理学控制过程讲义
根据时机、对象和目的分类（续）
• 同期控制：又称为过程控制、现场控制或者环节质量控制，其纠正措施是在 计划执行的过程中，是发生在活动进行之中的控制，是企业经营过程开始以 后，对活动中的人和事进行指导和监督。
• 反馈控制：又称后馈控制、成果控制、事后控制或者结果质量控制，是指在 一个时期的生产经营活动结束后，对于本期的资源利用状况以及结果进行总 结。
Z=f(t)
（2）跟踪控制：控制标准Z是先行量W的函数
Z=f(w)
（3）自适应控制：没有明确的先行量，控制标准Z是过去时刻已达状态Kt的函数
Z=f（Kt）
（4）最佳控制：标准Z值由某一目标函数的最大值或最小值构成，这种函数通常含有输入量X，传 递因子S和K及各种附加参数C，即：
Z=max f（X、S、K、C） Z=min f（X、S、K、C）
管理学控制过程讲义
2021年8月2日星期一
第十五章 控制过程
第一节 控制概述 第二节 控制的类型 第三节 控制的基本过程 第四节 控制的主要原则
第一节 控制概述
• 控制系统 • 控制的必要性 • 控制与管理的其他职能
控制概述
• 控制的定义：对工作情况进行监督、对比并纠正的过程。
控制系统
• 常见的控制系统主要有三种：市场控制（market control）、官僚控制 （bureaucratic control）和小集团控制（clan control）。
制定标准的方法
• 统计分析法是根据企业的历史数据资料以及同类企业的水平，运用统计学方法来确定企业经营各方面工 作的标准。
• 统计分析法的优点是简便易行，但是有局限性。
• 统计分析法对历史统计数据的完整性和准确性要求高，否则制定的标准没有任何意义；
过程控制系统广义对象讲义
温度控制通道阶跃响应特性参数为：稳定时温度变化 Δθ (∞) = 50°C ；时间常数T = 100s ；
纯迟延时间τ = 12s 。试求控制器的 δ 、Ti 。
r(t)
e(t)
u(t)
μ (t )
y(t)
⎜⎜⎝⎛1 +
1 Ti s
+
Td s ⎟⎟⎠⎞
（7）
式中，δ * = δ /(Kv Km ) = 1/(Kv Km Kc ) 为等效控制器的比例带；Km 为测量变送装置的增益。
由上可知，实际控制器 Gc (s) 和等效控制器的参数仅比例带（比例系数）不同，需进行
转换，而积分时间 Ti 和微分时间 Td 完全相同，不需要转换。 例 对于图 1 所示温度控制系统，控制器采用 PI 控制规律。温度变送器量程为 0～200
=
K0Km Ts + 1
e −τs
=
4 /15 e−12s 100s + 1
=
K e−τs Ts + 1
采用动态特性参数法，按 Z-N 公式，可得等效控制器的等效比例带为
δ * = 1.1× ⎜⎛ 4 /15 ⎟⎞ ×12 = 0.0352 ⎝ 100 ⎠
此时等效控制器包括了实际控制器和调节阀，则等效比例带为实际控制器的比例带和调 节阀增益倒数相乘的结果，即
采用动态特性参数法，按 Z-N 公式，可得等效控制器的等效比例带为
δ * = 1.1× ⎜⎛ 50 /15 ⎟⎞ ×12 = 0.44 ⎝ 100 ⎠
此时等效控制器包括了实际控制器、调节阀和测量变送装置，则等效比例带为实际控制 器的比例带和调节阀增益倒数、测量变送装置增益倒数相乘的结果，即
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若R为线性阻力 R H / Q o
C dH dt H R Qi
(1) (2)
在原始平衡点有 Q o 0 Q i 0
Qo0 H 0 R
(1) - (2) ：
C
dH dt
H H0 R
Qi Qi0
(3)
令 H H0 h
Q i Q i 0 q ， dH ，
Step Response 18 16 14 12
Amplitude
10 8 6 4 2
u
3 5s
0 5 10 15 Time (sec.) 20 25 30
0
2.1-3 多容过程的动态特性
多容过程具有两个或两个以上的存储容积 多容过程的微分方程与传递函数
qi
h1
h2
qo
C2
C1
q1
第一个水箱
V Cd 2 [ Q i GC ( 1 2 )] dt
VC d 2 dt GC 2 Q i GC 1
(1) (2)
如果起始点（t = 0时）为稳定平衡状态， 则 Q G C G C
i0 20 10
G C 20 Q i 0 G C 10
dh
(3)式则可整理为 C dh h q
dt R
RC
dh dt
h Rq
一般形式
T
dy dt
y Kx
单容过程 一阶微分方程，T，K为特征参数
非线性方程
根据流体力学定律，在大多数条件下阻力为
Qo k H
(4)
则
CdH ( Q i Q o ) dt
变成非线性微分方程
C1 dH dt
1
第二个水箱
C2 dH dt
2
Q i Q1
Q1 Q o
R1 ( H 1 H 2 ) Q 1
R2 H 2 / Qo
C1
dH dt
1
H1 R1
2
H2 R1
C1
Qi
C2
C2
dH dt
2
2
H2 R2
Q1
Qi R1
C 1C 2
d H2 dt
C 1 dH ( ) R2 R1 R 1 dt
微分方程描述
an d y dt
n n
a n 1
d
n 1
y
dt
n 1
a1
dy dt
a 0 y bm
d u dt
m
m
b m 1
d
m 1
u
dt
m 1
b1
du dt
a0u
传递函数描述
G (s) Y (s) U (s) bm s
m n
b m 1 s
RL=1/k 1 1 1
k 2 H0 1 R
kL= Qo /H 1 1 1
kNL= Qo /H 5 10 20
RNL=1 /k 1/5 1/10 1/(25)
H 5 10 20
Qo 5 10 20
k Qo / R 2
H
H / k 2 H / Qo
RC
dh dt
h Rq
To: Y(1)
-40 -60 -80 -100 -1 10
0 1
10
10
Frequency (rad/sec)
三、过程动态特性的测取
1.从生产过程的机理分析推导出描述式
物料平衡、能量平衡方程，运动方程， 化学反应方程（过程动态学）
2.实验研究
–线性对象和非线性有较大差别 –以实验信号激励过程 求取响应曲线 形状、特征参数 辨识出过程动态特性(阶 次,参数) 时域法，频域法，相关法。
y
L
二、分布参数过程的动态特性 与传递函数
微分方程为偏微分方程
y ( t ) ku ( t ) 一般单容过程的微分方程 T dt y是时间的函数，y(t) 对于分布参数过程，y是位臵l、时间t的函 数y(l, t) y (l , t ) y (l , t ) a2 y (l , t ) ku (t ) a1 t l dy ( t )
非线性增益与线性增益比较
H
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
RL H / Qo R NL H / Qo
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Qo
三、单容过程的阶跃响应与特征参数
微分方程：T
dh dt
h Kq
输入量 q，输出量 h,
T、K为常数 传递函数： G ( s )
H2 R1 R 2
《过程控制》例1-3 (p26-27)
T1 F1 R 1
Qi k
T1T 2 d H2 dt
2 2
T2 F2
R1 R 2 R1 R 2
dH dt
2
r
R2 R1 R 2
( T1 T 2 )
(1 r ) H 2 rk R 1
C 1 F1
C 1C 2 d H2 dt
2
C 2 F2
C1 C2
2
C 1 dH ( ) R2 R1 R 1 dt
H2 R1 R 2
Qi R1
容积迟延c 由于前臵容积的存在而引起的迟延 多容过程的等效特征参数 等效时间常数T 等效迟延时间 放大倍数K 多容过程的阶跃响应函数与曲线
K Ts 1
阶跃响应函数：h ( t ) K (1 e t / T )
阶跃响应曲线：
Step Response 3
2.5
H ( )
2
Amplitude
1.5
1
3
0.5
u
0 0
T
5 10 15 Time (sec.) 20
5s 1
25 30
特征参数及其物理意义：
G (s) As K
2
Bs 1
G (s)
t T1
K ( T1 s 1)( T 2 s 1)
阶跃响应
y (t ) 1
T1 T1 T 2
e
T2 T 2 T1
t T2
e
Step Response 3
2.5
2
Amplitude
K
1.5
y u
y
1
0.5
3. 新型建模方法：模糊建模，神经元网络建模， 小波建模。
2.1-2 单容过程的动态特性
单容:存在一个存储物料或能量的容积
一、单容加热过程的微分方程
基本出发点：热量平衡方程
加热量 出口温度
体积V
1
冷水
Qi
入口温度
比热C 介质密度
加热过程
2
热水
流速（量）G
容器内存储热量的变化 =加热量+流体进出热量之差
5/(s+1)
阶跃相应曲线
0
2
4
6
8
10
12
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
5/(s+1)
脉冲相应曲线
0
2
4
6
8
10
12
频率相应曲线
15 10 5 0 -5 -10 0 -20
Bode Diagrams
From: U(1)
Phase (deg); Magnitude (dB)
第二章 简单控制系统
简单控制系统又称为单回路控制系统。虽 然简单，但应用较广；过程控制的基本概念主 要是在本章建立的。因此，本章内容无疑是重 点之一。
1.典型例子：
液位变送器
液位控制器
执行器
2.系统方框图
3.特点
最简单、最基本；应用最广泛、最成熟。 是各种复杂控制系统设计和参数整定的基础。 适用于被控对象滞后时间较小，负载和干扰不 大，控制质量要求不很高的场合。
第二章内容
生产过程的动态特性 比例积分微分控制及其调节过程 单回路控制系统的整定 仪器仪表—变送器、执行器(调
节阀)等
第一节 生产过程的动态特性
2.1-1 2.1-2 2.1-3 2.1-4 2.1-5 2.1-6 2.1-7 被控过程特性的一般描述 单容过程的动态特性 多容过程的动态特性 纯迟延 分布参数 非线性 生产过程动态特性的实验测试 与数据处理
G dt
GC 2 GC 1
2 1
可作各项量纲检查，检查其正确性
体积：立方米； 比热：卡/度千克； 密度：千克/立方米； 流量：千克/秒； 热量：卡
V d G
3
2
ห้องสมุดไป่ตู้
3 o
dt
C s kg / s
2
1
o o
m kg / m
C C
方程的列写过程
以物料或能量平衡方程为基本依据； 以基本平衡方程减去起始平衡点的平衡
增量方程为 C
dH dt
2
k H0
h q
令
2
k H0
1 R
整理后成为一般线性微分方程
RC dh dt h Rq
线性化后，可为系统分析带来方便
在工作点附近对非线性进行线性化处理
是经常采用的方法 它只适用于工作点附近的小区域
线性系统与非线性系统比较