过程控制工程2过程动态特性分析

三、脉动信号的测量与变送
脉动信号性质：可能是有规律的，也可能是无 规律、杂乱无章的。（如活塞式压缩机的出口压力和往
复泵的输送液体时的流量）
对控制质量影响：脉动信号对控制质量带来不 利影响。（因为周期性变化的脉动信号，当其平均值不变时，
控制系统根本不需要工作，但控制器是按信号偏差工作的，脉动 信号变化时，是控制器输出亦呈周期性变化，控制阀不停的开大 开小，显然这种控制是徒劳无益的，系统还可能产生共振，从而 加剧受控变量的波动，另外控制阀阀杆加速磨损，影响寿命。）
采取措施：①调整测量仪表本身的阻尼系数；
②控制仪表输入加入滤波环节。
第六节 控制阀环节在控制系统中的考虑 一、气动调节阀的结构
....... .......
pc
u(t) 电气 pc 执行 l
转换器
机构
f 阀体
管路 系统
q
执
行 u(t)：控制器输出
机
( 4~20 mA 或 0~10 mA DC)；
对象特性参数的确定
假设温度测量变 送器的量程为200 ~ 400℃。
Kp
355 320 400 200
60 50 100 0
1.75
Tp T 2 T1 9
T1T0 6
“广义对象”的概念
ysp(t) +_
扰动 D(t)
干扰通道 GD (s)
控制器 u(t) GC (s)
执行器 q(t) GV (s)
测量变送环节一般可用一阶加纯滞后特性表示 即
G
m
(S
)
Km TmS
.e 1
ms
二、关于测量误差
测量误差大致可分为三个方面： ①仪表本身误差：精度等级1.0 、0.5、
0.2量程越宽，绝对误差越大。选择仪表 量程时应尽量选窄一些。 ②安装不当引入误差：例孔板、热电偶。 ③测量的动态误差：包括时滞和测量惯 性滞后（解释）。
k1
H1 k2
H2
机理建模举例：非自衡过程
Qi A
Q(t)
Qo
Qi
t 0
h(t)
Q0
物料平衡方程： t
A
dh dt
Qi
Q0
纯滞后过程
纯滞后过程：某些过程在输出变量改变后，输出变量并不立即改变，而 要经过一段时间才反应出来的过程。
纯滞后时间：在输入变量变化后，看不到系统对其相应的这段时间τ。
阀门
控制通道 GP (s)
+ +
y(t)
广义对象
测量变送 Gm (s)
ym (t)
“广义对象” 的特点
扰动 D
ysp(t)
偏差 e 控制器
u(t)
+
GC (s)
_
广义对象
干扰通道 GD 1 (s)
+ 控制通道 +
GP 1 (s)
ym (t)
特点：（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。
工业过程控制对象的特点
除液位对象外的大多数被控对象本身是 稳定自衡对象；
对象动态特性存在不同程度的纯迟延； 对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流
量对象外的被调量的变化相对缓慢； 被控对象往往具有非线性、不确定性与
时变等特性。
对象特性对控制质量的影响
一、对象静态特性分析（续）
设：GC
(S
)
控制器 Gc (s)
控制变量 u
扰动 D
执行器 Gv (s)
操纵变量 q
被控对象
干扰通道 GD (s)
+ 控制通道 +
Gp (s)
被控变量 y
测量值 ym
测量变送 Gm (s)
被控对象动态建模方法
机理建模
原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、 能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程， 由此获得被控对象的动态数学模型。 特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。
2. 气开阀与气关阀的选择原则 * 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀； * 若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀。
①主要考虑设备安全（如加热炉瓦斯气调节阀选气开阀）
②其次考虑介质性质（如：精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀如介质
易结晶或易凝固选气关阀；如事故时节约能源选气开阀）
③考虑减少经济损失，保证产品质量（如进料选气开阀）
二、关于测量误差（续）
讨论（关于测量惯性滞后）：当真实被控变量 Y(t)分别作阶跃变化、递增变化、周期变化时
Z(t)≠ Y(t)
Y(t) Y(t)
Y(t)
Y(t)
Y(t)
Z(t) Y(t)
Z(t)
Z(t)
0
t
0
t
以
热
电
偶
为
例 Tm=1.5min
Tm=0.5min
0 t
Tm=0.1min
二、关于测量误差（续）
典型自衡工业对象 的阶跃响应
u(t)
u1
u0
0
y(t)
y1
p y0
τT
T0
T1 T2
T3
对象的近似模型：
y(s) K e s u(s) Ts 1
对应参数见左图，而增益为：
t
K y1 y0
u1 u0
ymax ymin umax umin
[ymin, ymax]为CV的测量范围； [umin, umax]为MV的变化范围，对于 t 阀位开度通常用0~100%表示。
KC
;
G
P
(S
)
KP TPS 1
;
G
f
(S
)
K Tf S
f
1
对于定值控制系统：R(S)=0 , E(S) Y(S)
Y(S)
G f (S)
.F(S)
(TPS 1).K f
.F (S )
1 GC (S)GP (S)
(TPS 1)(Tf S 1) KC .KP (Tf S 1)
根据终值定理，在单位阶跃干扰输入下： F(S) 1
讨论：为提高质量，减小Tm的影响可采取 以下措施：
①选择快速测量元件 一般希望测量元件的时间常数应小于
1/10控制通道时间常数，否则应引入微 分环节加以校正。 ②引入微分环节
二、关于测量误差（续）
当微分器放置在变送器输出端时，系统如图所示
F(s) Gf (s)
+
R(s)
e
+
Y (s)
+
GC (s)
三、控制阀的流量特性及其选择（续） ⒈流量特性定义
控制阀流量特性是指流体通过阀门的相
对流量与相对开度之间的函数关系。如
式:
Kp不能太大，超过一定界线造成灵敏度过高， 会破坏系统稳定性。
二、对象动态特性分析
⒈ 干扰通道Tf 、 f 对控制质量的影响。 ① Tf 对控制质量的影响
Tf ↑→滤波能力↑→干扰对被控变量的影响 ↓→超调量 ↓→控制质量 ↑ 。
② f 对控制质量的影响 G'f (S) Gf (S).e f S
讨论： ①调整TD实现反馈通道零极点抵消，即
TD=Tm→Z(S)=Km.Y(S)≈Y(S) (∵Km ≈1) ②当微分器加在控制器输出端，闭环传递函数不
变，表明a:在定值控制系统中，系统的控制质量 与微分器位置无关；b:对于随动系统微分环节在 变送器输出端时的响应速度要比放置在控制器输 出端快。
uτ y
＝ l v
输出u
y 重量 调节器 设定r
传递函数为G(S)=e-
频率特性为G(j)=e-j
静态增益和动态增益均为1。 由它产生的相角，大小为Φ=-ωτ。
过程控制广义对象动态特性分类
自衡过程 (1) 无振荡的自衡过程 (2) 有振荡的自衡过程
非自衡过程 (1) 无振荡的非自衡过程 (2) 有振荡的非自衡过程 (3) 具有反向特性的非自衡过程
无振荡自衡过程模型
GP
(s)
K Ts
1
e
s
GP
(s)
(T1s
K 1)(T2 s
1)
e
s
GP (s)
K (Ts 1)n
e
s
无振荡非自衡过程模型
GP
(s)
K Ts
e
s
GP (s)
K s(Ts 1)
e
s
具有反向特性的非自衡பைடு நூலகம்程模型
GP (s)
K (T0s 1) s(T1s 1)
e s
“广义对象”动态特性的 阶跃响应测试法*
Kf 1 KcKp
1 e
1 2
Kf↑→A↑↑ →动态控制质量↓
一、对象静态特性分析（续）
2. Kp对控制质量的影响
根据系统过渡过程余差、最大偏差这两个质量
指标表达式可见：系统静态控制质量或动态控
制质量都希望Kp 大些。
Kp ↑→控制作用灵敏，抑制干扰能力强。
Kp在前项通道与 Kc相串，调整Kc，在一定范 围 合内 。可补偿Kp ，达到控制过程Kp Kc的最佳配
P
0.1TP
0.5TP P 1.57TP P 1.57TP
可以不采用时滞补偿 可以考虑采用时滞补偿 必须采用时滞补偿
三、负荷变化对控制质量的影响
系统对象的静、动态特性参数都是在负荷工作 点特定而言，一旦负荷发生变化，对象所有特 性参数也将发生变化（包括控制器的PID参数 整定），从而，控制质量变差。
三、控制阀的流量特性及其选择
部分概念 最大流量Qmax：阀门全开时的流量。 最小流量Qmin：是可调流量的下限值，它一般
为最大流量的2~4%。 泄漏量：是阀门全关时泄漏的量，它仅为最大
流量的0.5~0.001%。 可调比R:控制阀的最大流量与最小流量之比。
R=Qmax/Qmin 一般国产控制阀R取30。
测试建模
原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激 励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对 这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。 特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。
对象机理建模举例
Qi
H A
物料平衡方程：
A dH dt
Qi
构 pc ：调节阀气动控制信号；( 0.04~ 0. 12 MPa)
l：阀杆相对位置； f ：相对流通面积；
阀 体
q ：受调节阀影响的管路相对流量。
传递函数：
KV TV S 1
二、控制阀的开、关形式选择
1. 气开阀与气关阀 * 气开阀： pc↑→ f↑ (“有气则开”) * 气关阀： pc↑→ f↓ (“有气则关”) 无气源( pc = 0 )时，气开阀全关，气关阀全开。
过程控制工程2过程动态特性分 析
基本要求
了解典型工业过程的动态特性类型； 掌握简单被控过程的机理建模方法； 掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型
测试方法。 了解对象特性对系统的影响 了解调节阀对系统性能的影响 了解测量变送环节对系统的影响
单回路控制系统组成
设定值 ysp
+
_
偏差 e
即干扰作用迟了一段时间 f ，从理论上
讲不影响控制系统的质量。
③干扰通道位置对控制质量的影响 在可能的情况下，应使干扰输入位置尽可
能的远离检测点，向控制阀靠近。
二、对象动态特性分析（续）
⒉ 控制通道TP、 P 对控制质量的影响。
① TP对控制质量的影响
TP大小反应了系统动态过程控制作用的强弱。
太大
克服方法：①可采用串级或前馈控制系统，提 高变负荷的自适应能力。②合理选择控制阀的 流量特性，利用控制阀增益KV随负荷相应变化 的原理进行增益补偿，使变负荷对象有一定的 自适应能力。
第五节 测量变送环节对控制质量的影响 一、概述
测量变送环节的任务是对被控变量或其它有关 参数作正确测量，并将它转换成统一信号。如 4~20mA.DC或0~10mA.DC或开关量信号。 其信号除送给控制器作自动控制外，还可用于 指示、记录、数据累计、报警及联锁控制等。
操作反应慢、 控制作用弱、
工艺上减小 TP
TP
稳定性好
控制方案减小 TP
太小
控制作用太灵敏、操 作频繁、易产生振荡
结论：⑴ 实际中希望 TP 小些，有利于快速克服扰动，缩 短过渡过程时间。 ⑵通过优化控制器积分时间或微分时间 可减小TP对控制质量的影响。
二、对象动态特性分析（续）
① P 对控制质量的影响 对象控制通道的时滞时影响系统控制质量的主 要量评因价素，，它在反系映统了分析 P中对时系滞统用质量P 相TP对进影行响系的统程质度。
Qo
流体运动方程： Qo k H
Qo
dH A dt Qi k H
对象机理建模举例
Qi
H1
Q1
A1
H2 A2
物料平衡方程：
A1
dH1 dt
Qi
Q1,
A2
dH2 dt
Q1 Q2
流体运动方程：
Q1 k1 H1 , Q2 k2 H2
Q2
A1
dH1 dt
Qi
k1
H1 ,
A2
dH2 dt
GV (s)
GP(s)
_ Z(s)
GD (s)
Gm (s)
设：
G
m
(S
)
Km TmS 1
GD (S) TDS 1
闭环传递函数为：
测量值：
Y(S)
G f (S)
F(S) 1 GC (S)GV (S)GP (S)Gm (S)GD (S)
Z (S ) Km (TDS 1) Y (S) TmS 1
二、关于测量误差（续）
S
定值控制系统的余差为：
e()
lim
e(t) t
lim
s.e ( s ) s0
Kf 1 KcKp
一、对象静态特性分析（续）
结论：系统余差与对象的静态特性有关；
1. Kf对控制质量的影响 Kf 对系统静态或动态控制质量都有害：
对于静态质量： Kf↓→e(∞)↓→质量↑ 对于动态质量：其最大偏差A等于