简单控制系统生产过程动态特性
2过程特性
c ( )
t
(2) 扰动通道的放大系数Kf
定义：在操纵变量q(t)不变的 情况下，过程受到幅度为Δf 的阶跃扰动作用，过程从原 有稳定状态达到新的稳定状 c() 态时被控变量的变化量 与扰动幅度Δf之比。
c() c() c(0) Kf f f
f(t)
f
f(0) t
热物料
机理建模：
蒸汽
换热器pp14
冷物料
由前面的分析可得：
一阶被控过程控制通道的动态方程为：
d c(t ) To c(t ) Ko q(t ) dt
有纯滞后
q(t 0 )
一阶被控过程扰动通道的动态方程为：
d c(t ) Tf c(t ) K f f (t ) dt
q(t)
A O
q
t
放大系数
时间常数
K=B/A
T
c(t)
纯滞后
τ
B
O τ T
t
一阶系统
q(t)
A O
q
t
放大系数K: K=[c(t)-c(0)]/A 时间常数T:
c(t)
T=2、3之间的距离
3 2 T 纯滞后
纯滞后τ :
t
c(0) 1
τ=1、2之间的距离
二阶系统
阶跃扰动法直观、简便易行、所以得到了广泛的 应用。
2.1 过程特性的类型
控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量
控制装置
测量值 y(t)
u(t)
执行器
q(t)
过程
c(t)
检测元件、变送器
简单控制系统方块图 过程：需要实现控制的机器、设备或生产过程
过程控制工程过程动态特性分析
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
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
uτ y
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。
流体运动方程： Qo k H
Qo
A dH dt
管理学控制系统的含义和特点
管理学控制系统的含义和特点
管理学中的控制系统是指一种用于监督和调节组织内部活动的
机制。
其含义是通过设定标准和目标，收集信息，进行比较分析，
并采取必要的纠正措施，以确保组织的运作与预期目标保持一致。
控制系统的特点包括：
1. 目标导向，控制系统的核心是确保组织的活动与设定的目标
一致，因此它是目标导向的。
2. 反馈机制，控制系统通过收集和分析信息，对组织的实际表
现进行评估，并进行必要的调整，以保持组织活动的正常运作。
3. 灵活性，控制系统需要具有一定的灵活性，能够适应环境变
化和组织内部的动态变化，以保持其有效性。
4. 多层次性，控制系统通常是多层次的，涵盖了组织的各个层面，从战略层到操作层都需要进行控制。
5. 连续性，控制系统是一个持续进行的过程，不断地收集信息、分析数据、进行调整，以确保组织的活动不偏离预期目标。
总的来说，管理学中的控制系统是一种目标导向、具有反馈机制、灵活性强、多层次、持续进行的机制，用于监督和调节组织内部活动，以确保组织的运作与预期目标保持一致。
过程控制习题与答案
过程控制习题与答案(总10页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第1章绪论思考题与习题1-1 过程控制有哪些主要特点为什么说过程控制多属慢过程参数控制解答：1．控制对象复杂、控制要求多样2. 控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成1-2 什么是过程控制系统典型过程控制系统由哪几部分组成解答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
组成：控制器，被控对象，执行机构，检测变送装置。
1-3简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义解答：被控对象自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。
被控变量被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。
操纵变量受控制器操纵的，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。
扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。
设定值被控变量的预定值。
偏差被控变量的设定值与实际值之差。
1-4按照设定值的不同形式, 过程控制系统可分为哪几类解答：按照设定值的不同形式又可分为:1．定值控制系统定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言.2.随动控制系统随动控制系统的设定值是不断变化的.随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化3.程序控制系统程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。
1-5 什么是定值控制系统解答：在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
1-6 什么是被控对象的静态特性什么是被控对象的动态特性为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义解答：被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。
第一章简单控制系统4
第一章 简单控制系统
Chapter 1 simple control system
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College of Electromechanical ＆ Information Engineering
工业生产过程控制
本章主要内容
控制系统组成和控制性能指标 过程动态特性和建立过程的动态模型 检测变送环节 执行器环节 控制器的模拟控制算法 控制器的数字控制算法 控制器参数整定和控制系统投运 与PID控制密切相关的几类控制算法
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工业生产过程控制
PID 控制作用
• 比例作用P引入适当微分作用D后，幅值增 加，相位超前，使稳定性裕度提高，为保 持同样稳定性裕度， Kc应增加10-20%( 比例度δ应减少10-20%)。微分作用D可以 克服容滞后，但对时滞毫无作用。微分时 间Td越大，微分作用越强， Td=0无微分作 用。
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Байду номын сангаас
工业生产过程控制
微分控制 它依据“偏差变化速度”来进行 控制。它的输出变化与输入偏差变化的速度成比 例，其实质和效果是阻止被控变量的一切变化， 有超前控制的作用。对滞后大的对象有很好的效 果。用微分时间表示其作用的强弱。Ｔd大，作 用强。Ｔd太大，会引起振荡。
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I：积分作用，输出为偏差的积分。 积分时间
D：微分作用，输出为偏差的微分。
P
Ti
100 KC
仪表中不用Kc，而用比例度P：
微分时间 T 大连民族学院机电信息工程学院 d
工业生产过程控制
纯比例控制器
u(t) Kce(t) u0
计算机过程控制
考虑水位只在其稳态值附近的小范围内 变化 将式（l－10）加以线性化
16
上式是最常见的一阶系统，它的阶跃响应 是指数曲线，如图1．3所示，与电容充电 过程相同。把水槽的充水过程与RC回路 （见图1．4）的充电过程加以比较。
由（1－12）和（1－13）
差， ITAE：惩罚过渡过程拖得过长。
误差积分指标并不能都保证控制系统具 有合适的衰减率，衰减率是人们首先关 注的。一个等幅振荡过程的IE却等于零， 显然极不合理。
首先规定衰减率的要求，再考虑使误 差积分为最小
10
过程控制中被控对象：工业生产过程中的各种装置和设 备，例如换热器、工业窑炉、蒸汽锅炉、精馏塔、反应 器等等。被调量通常是温度、压力、液位、成分、转速 等。
有一个区别：在它的流出侧装有一只排水泵。 水泵的排水量仍然可以用负载阀R来改变，但排水量
并不随水位高低 而变化。这样，当负载阀开度固定不 变时，水槽的流出量也不变，因而在式（1－12）中有 △Q0=0．水位在调节间开度扰动下的变化规律为:
6
3．残余偏差：过渡过程结束后，被调量新的稳态 值y（∞）与新设定值r之间的差值，它是控制系统 稳态准确性的衡量指标。
4．调节时间和振荡频率 ： 调节时间：从过渡过程开始到结束所需的时间。
当被调量已进入其稳态值的士5％范围内，就算过 渡过程已经结束；衡量控制系统快速性的一个指 标。
过渡过程的振荡频率：也可以作为衡量控制系 统快速性的指标。
节阀开度μ，流出量Q0则由用户根据需要通过
负载阀R来改变。被调量为水位H，它反映水的 流入与流出量之间的平衡关系。现在分析水位 在调节阀开度扰动下的动态特性。 显然，在任何时刻水位的变化均满足下述物料 平衡方程：
PID控制系统的静、动态特性
反馈的优点
减小系统的稳态误差； 减小对象G(s)的参数变化对输出的影响； 使系统的瞬态响应易于调节； 抑制干扰和噪声。
反馈的代价
增加了元器件的数量和系统的复杂性； 增益的损失； 有可能带来不稳定性。
y(t)
r(t ) kyreq (t ), e(t ) r(t ) ky(t ) k ( yreq (t ) y(t )) ess lim e(t )
t
为计算稳态误差，应用Laplace终值定理，即 s lim e(t ) lim sE ( s) lim R( s ) t s 0 s 0 1 kG( s ) 当输入信号为以下三种典型信号之一时，稳态误差为
PID控制器设计的一般原则
观察系统开环响应，确定待改进之处； 加入比例环节缩短系统响应时间；（动态性能）
加入积分控制减小系统的稳态误差；（静态性能）
加入微分环节改善系统的超调量； （动态性能） 调节 KP，KI，KD ，使系统的响应也叫三项控制器，它包括一个比例项，一个积 分项和一个微分项，其传递函数为 K G ( s) K P I K D s s
详细可参见课本：P11第四节、P13控制系统的品质指标
稳态误差
一个稳定系统在输入量或扰动的作用下，经历过渡过程进 入静态后，静态下输出量的要求值和实际值之间的误差。 记为 ess ess lim yreq (t ) y (t ), yreq (t )为输出要求值
t
r(t) -
e(t) G(s) k
而对闭环系统则有
Y ( s) G( s) R( s)
动态性能指标
上升时间：响应曲线首次从静态值的10％过渡到90％所需的时间，记 为tr； 峰值时间：响应曲线第一次达到峰值点的时间，记为tp。
动态控制原理
动态控制原理动态控制原理是控制工程中的重要理论，它主要研究动态系统的控制方法和原理。
动态系统是指系统的状态随时间变化的过程，动态控制原理就是研究如何通过控制方法来改变系统的动态特性，使系统的输出能够满足要求。
在工程实践中，动态控制原理被广泛应用于飞行器、汽车、机械设备、电力系统等领域，对于提高系统的稳定性、精度和性能具有重要意义。
动态控制原理的基本概念包括系统的动态特性、控制器的设计、系统的稳定性分析等。
首先，动态系统的动态特性是指系统对外部输入的响应过程，它可以用传递函数、状态空间模型等数学工具来描述。
控制器的设计是指根据系统的动态特性，设计合适的控制器来实现对系统的控制。
控制器可以是比例积分微分（PID）控制器、模糊控制器、神经网络控制器等。
系统的稳定性分析是指分析系统在受到外部干扰或参数变化时，能否保持稳定。
稳定性分析可以通过根轨迹、频域分析等方法来进行。
动态控制原理的核心思想是通过设计合适的控制器来实现对系统的控制。
控制器的设计需要考虑系统的动态特性和控制要求，以实现对系统的稳定性、精度和性能的要求。
在实际工程中，动态控制原理可以应用于飞行器的姿态控制、汽车的车身稳定控制、机械设备的位置控制、电力系统的电压稳定控制等方面。
通过动态控制原理的应用，可以提高系统的稳定性和控制精度，实现对系统的精确控制。
动态控制原理的研究也面临着一些挑战和困难。
首先，动态系统的动态特性往往是复杂的，需要深入的数学理论和分析方法来描述和分析。
其次，控制器的设计需要考虑到系统的非线性、时变性等因素，这对控制器的设计提出了更高的要求。
此外，系统的稳定性分析也需要综合考虑系统的动态特性和外部环境的影响，这对分析方法和工程实践提出了挑战。
总之，动态控制原理是控制工程领域的重要理论，它研究了动态系统的控制方法和原理。
动态控制原理的应用可以提高系统的稳定性、精度和性能，对于工程实践具有重要意义。
在未来的研究和工程实践中，动态控制原理将继续发挥重要作用，促进控制工程技术的发展和应用。
过程控制-第一章
过程控制 二、建模的目的和要求
➢ 设计过程控制系统和整定调节器参数 ➢ 指导设计生产工艺设备 ➢ 进行仿真试验研究 ➢ 培训运行操纵人员 ，等等 要求： 准确可靠；但并不意味着愈准确愈好。 鲁棒性 实时性要求。往往需要做很多近似处理，比如线性化、 模型降阶处理等。
dh
A
R dt
hKuRu
令： A=C，容量系数 T=RC，时间常数 K=KuR，放大倍数
TdhhKu dt
对应的传递函数为：
G( s ) H( s ) K U( s ) Ts 1
过程控制
该对象对应的方框图：
过程控制
U(s)
Qi(s)
1
Ku
+－
Cs
Qo(s)
1
R
H(s)
G(s)H(s) KuC 1S KuR K U(s) 11 1 RCS1 Ts1 CSR
过程控制
Q1(s)
－
Q2(s)
H1(s)
1
1
c1s
R2
Q2(s)
1
－ c2s
Q3(s)
1 R3
对象框图
过程控制
H2(s)111过程来自制G(s) H2(s)
C1s R2 C2s
Q1(s) 1 1 1 1 1 1 1 1 1
C1s R2 C2s R3 C1s R2 C2s R3
R3
C1R2s C2R3s C2R3s C1R2s 1
过程控制
1、 数学模型定义 被控过程的数学模型（动态特性），是指过程在各输入量 （包括控制量与扰动量）作用下，其相应输出量（被控量） 变化函数关系的数学表达式。
(工业过程控制)3.过程动态特性分析
为了推广过程动态特性分析的应用，相关标准化工作正在进行中，以规范分析方法和术语，促进不同企 业之间的交流与合作。
未来研究方向与挑战
跨学科融合
智能化技术
系统安全与稳定性
绿色制造与可持续发展
未来研究需要进一步融合控制 理论、计算机科学、数据科学 等多个学科，以应对工业过程 控制中复杂性和不确定性增加 的挑战。
案例二：某钢铁厂的动态特性建模
总结词
高温、高粉尘、高噪声环境
详细描述
某钢铁厂的生产线在高温、高粉尘、高噪声的环境下运行，其动态特性受到多种因素的影响。为了实 现有效的过程控制，需要对这些动态特性进行建模。通过对实际生产数据的分析和处理，建立能够反 映该钢铁厂动态特性的数学模型，为进一步优化控制策略提供支持。
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THANKS
动态特性分析的方法
时域分析法
通过分析系统的输入和输出在时间域的变化 规律，评估系统的动态性能。
频域分析法
通过分析系统的频率响应，了解系统在不同 频率下的性能表现。
稳定性分析法
通过分析系统的极点和零点分布，判断系统 的稳定性。
根轨迹分析法
通过绘制系统的根轨迹图，了解系统在不同 参数下的稳定性变化。
02
模型修正
根据验证结果对模型进行修正，以提高模型的精度和 可靠性。
03
过程动态特性分析应用
控制系统设计
控制系统设计
过程动态特性分析在控制系统设计中发挥着关键作用，通过对过程特性的深入了解，可 以更好地设计控制系统的结构和参数，从而提高控制系统的性能和稳定性。
模型建立
通过过程动态特性分析，可以建立过程的数学模型，为控制系统的设计和优化提供理论 支持。
过程控制总题库简答
1． 简述PID 调节器c K 、i T 和d T 的作用是什么答案：在PID 调节器中,c K 越大,表示调节作用越强,i T 值越大,表示积分作用减弱,d T 值越大表示微分作用增强;2． 有一流量调节系统,信号传输管线很长,因此,系统产生较大的传送滞后;有人设想给调节器后加微分器来改善系统特性,试问这种设想合理否为什么若不合理,应采取什么措施合理答案：这种设想不合理,因为信号传送滞后是纯滞后,而微分作用不能克服纯滞后;解决这一问题合理的措施是采用1：1继动器加在信号传输线之间,以增大信号流速,从而减小传输滞后,改善系统特性;3． 利用微分作用来克服控制系统的信号传递滞后的设想是否合理与正确答案：这种设想不合理,因为信号传送滞后是纯滞后,而微分作用不能克服纯滞后;合理的措施是采用1：1继动器加在信号传输线之间,以增大信号流速,从而减小传输滞后,改善系统特性;4． 通常在什么场合下选用比例P,比例积 PI,比例积分微分PID 调节规律答案：比例调节规律适用于负载变化较小,纯滞后不太大而工艺要求不高又允许有余差的调节系统;比例积分调节规律适用于对象调节通道时间常数较小,系统负载变化不大需要消除干扰引起的余差,纯滞后不大时间常数不是太大而被调参数不允许与给定值有偏差的调节系统;比例积分调节规律适用于容量滞后较大,纯滞后不太大,不允许有余差的对象;5． 简述热电偶温度计组成部分及各部件的功能;本题每写出1个组成部分得1分,每写出1个组成部分功能得1分 答案：热电偶温度计的基本组成部分有：热电偶、测量仪表、连接热电偶和测量仪表的导线;如下图所示图题42热电偶是系统中的测温元件,测量仪表是用来检测热电偶产生的热电势信号的,可以采用动圈式仪表或电位差计,导线用来连接热电偶与测量仪表;为了提高测量精度,一般都要采用补偿导线和考虑冷端温度补偿;6． 串级控制系统有哪些特点主要使用在哪些场合答案：串级控制系统的主要特点为：每写出1个应用场合的得2分a)在系统结构上,它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统； b)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量； c)由于副回路的存在,对进入副回路的干扰有超前控制的作用,因而减少了干扰对主变量的影响； d) 系统对负荷改变时有一定的自适应能力;串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合;7． 简述建立对象的数学模型两种主要方法:每写出1 种方法的得2分答案：一是机理分析法：机理分析法是通过对对象内部运动机理的分析,根据对象中物理或化学变化的规律比如三大守恒定律等,在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程;通过这种方法得到的数学模型称之为机理模型,它们的表现形式往往是微分方程或代数方程;二是实验测取法：实验测取法是在所要研究的对象上,人为施加一定的输入作用,然后,用仪器测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律,即得到一系列实验数据或实验曲线;然后对这些数据或曲线进行必要的数据处理,求取对象的特性参数,进而得到对象的数学模型;8． 复合前馈控制中的两种典型形式是什么4答案：前馈-反馈控制和前馈-串级控制;9． 热电偶有哪几种冷端补偿方法6答案：a)冷端温度冰浴法b)计算修正法c)补偿电桥法10．写出任意三种常用的控制器参数整定方法6答案：a)经验法b)稳定边界法c)衰减曲线法d)响应曲线法e)衰减频率特性法答出其中任意三种者得6分,每答出1种得2 分11．简述大时延控制系统Smith预估补偿方案的特点;答案：Smith预估补偿方案的特点是预估出过程在基本扰动下的动态特性,然后由预估器进行补偿,力图使被延迟了 时间的被调量超前反映到控制器,使控制器提前动作,从而明显的减小超调量和加速调节过程,改善控制系统的品质;12．简述什么是有自衡能力的被控对象;答案：当被控对象受到干扰作用,平衡状态被破坏后,不需要外加控制作用,能依靠自身达到新的平衡状态的能力称为有自衡能力,这种对象称为有自衡能力的被控对象;13．前馈控制适用于什么场合答案：前馈控制是按扰动而进行控制的,因此,前馈控制常用于的场合：a)一是扰动必须可测,否则无法实施控制；b)二是必须经常有比较显着和比较频繁的扰动,否则无此必要;c)三是存在对被控参数影响较大且不易直接控制的扰动;14．分别说明比例、积分、微分控制对控制系统的作用;答案：比例控制影响系统的动态特性和系统的稳定性；积分控制的作用是可以消除系统余差；微分控制可以提高系统的响应速度,克服对象容量滞后的影响;15．前馈控制适用于什么样的场合前馈控制是按扰动而进行控制的,因此,前馈控制常用于以下场合：1 扰动必须是可测的,否则无法实施控制；2 必须经常有比较明显和频繁的扰动,否则没有必要；3 存在对被控参数较大而且不易直接控制的扰动;16．为什么前馈控制常与反馈控制构成前馈—反馈控制系统答案：前馈控制是一种补偿控制;一般来讲,前馈控制无法全部补偿扰动对被控变量所产生的影响;因此,单纯的前馈控制系统在应用中就会带来一定的局限性;为克服这一弊端,前馈控制常与反馈控制联用,构成前馈—反馈控制系统;对最主要的、显着的、频繁的无法直接控制的扰动,由前馈来进行补偿控制；对无法完全补偿的扰动影响,由反馈控制根据其对被控变量所产生的偏差大小来进行控制;17．控制器的正反作用是如何确定的1．闭环控制系统分为几种类型每种代表什么含义 p8答：1定值控制系统,就是系统被控量的给定值保持在规定值不变或在小范围附近不变;2程序控制系统,是被控量的给定值按预定的时间程序变化工作;3随动控制系统,是一种被控量的给定值随时间任意变化的控制系统;2．简述被控过程特性的实验测取法; p17答：对某些非线性因素,在数学上无法或难以推导,则要通过实验测量并进行关系近似与假设,这种通过试验来获取数学模型的方法称为被控过程的实验测取法;3.简述热电偶“中间导体”定律; p36答: 在热电偶测温回路中接入第三导体时,只要接入第三导体的两个接点温度相同,回路总电动势值不变;4．一个单回路控制系统主要由哪几个环节组成其中检测元件及变送器、调节器、执行器各起什么作用答：一个单回路控制系统主要由测量元件、变送器、调节器、调节阀、和被控过程等环节组成; p6检测元件：感受工艺变量的变化并转换成特定信号; p变送器：将被测的各种参数变换成统一标准信号DC 4~20mA或DC 1~5V的仪表,其输出送显示仪表或调节器; p42调节器：接受变送器或转换器的DC 1~5V或DC 4~20mA测量信号为输入信号,与D C 1~5V或DC 4~20mA给定信号进行比较,并对其偏差进行PID运算,输出DC 4~20m A标准统一信号; p74执行器：接受调节器输出的控制信号,并转换成直线位移或角位移,来改变阀芯与阀座间的流通截面积以控制流入或流出被控过程的流体介质的流量; p112 5．为什么热电偶测温时,一般都要采用补偿导线 p36答：由热电耦测温原理可知,只有当热电耦温度不变时,热电势才是被测温度的单值函数,所以在测温过程中必须保持冷端温度恒定;可是热电耦长度有限,其冷端会受到环境温度的影响而不断变化,为了使热电耦冷端温度保持恒定,则采用补偿导线;1.简单控制系统的组成,各部位的作用是什么解答：简单控制系统由检测变送装置、控制器、执行器及被控对象组成;检测变送装置的作用是检测被控变量的数值并将其转换为一种特定输出信号;控制器的作用是接受检测装置送来的信号,与给定值相比较得出偏差,并按某种运算规律算出结果送往执行器;执行器能自动地根据控制器送来的控制信号来改变操纵变量的数值,以达到控制被控变量的目的;被控对象是指需要控制其工艺参数的生产设备或装置2.什么是对象数学模型,获取模型的方法有哪些答：对对象特性的数学描述就叫数学模型;机理建模和实验建模系统辨识与参数估计;解析法和实验辨识法机理建模：由一般到特殊的推理演绎方法,对已知结构、参数的物理系统运用相应的物理定律或定理,根据对象或生产过程的内部机理,经过合理的分析简化而建立起描述系统各物理量动静态性能的数学模型;实验建模步骤：1确定输入变量与输出变量信号；2测试；3对数据进行回归分析;3.简述被控量与操纵量的选择原则;.答：一、1被控量的选择原则:①必须尽可能选择表征生产过程的质量指标作为被控变量;②当没有合适的质量指标时,应选择与质量指标由单质对应关系的间接指标作为被控量;③间接指标必须有足够的灵敏度;④被控变量的选择还应考虑工艺过程的合理性及所用测量仪表的性能、价格等因素.2操纵变量选择的原则①操纵变量应是控制通道放大系数K0较大者;②应使扰动通道的时间常数越大越好,而控制通道的时间常数适当小一些;③控制通道纯滞后时间则越小越好,并尽量使扰动远离被控变量而靠近调节阀;④当广义过程的控制通道由几个一阶滞后环节组成时,要避免各个时间常数相等或相接近的情况;⑤工艺上的合理性和方便性;二、被控变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素,它选择的一般原则是：1被控变量应能代表一定的工艺操作指标或是反映工艺操作状态重要变量；2被控变量应是工艺生产过程中经常变化,因而需要频繁加以控制的变量；3被控变量应尽可能选择工艺生产过程的直接控制指标,当无法获得直接控制指标信号,或其测量或传送滞后很大时,可选择与直接控制指标有单值对应关系的间接控制指标； 4被控变量应是能测量的,并具有较大灵敏度的变量；5被控变量应是独立可控的； 6应考虑工艺的合理性与经济性,以及国内外仪表生产的现状;操纵变量的选择应遵循原则1操纵变量应是工艺上允许加以控制的可控变量；2操纵变量应是对被控变量影响诸因素中比较灵敏的变量,即控制通道的放大系数要大一些,时间常数要小一些,纯滞后时间要尽量小；3操纵变量的选择还应考虑工艺的合理性和生产的经济性;三、被控变量选择的一般原则是：1) 直接参数法 在尽可能的情况下,选择对产品的质量和产量、安全生产、经济运行等具有决定性作用,可直接测量的参数作为被控参数;2) 间接参数法 当不能用直接参数作为被控变量时,应选择与直接参数有单值对应关系的间接变量作为被控参数;3) 被控变量必须具有足够的灵敏度和变化数值;4) 被控变量的选择必须考虑到工艺过程的合理性、经济性,以及国内外仪表生产的现状;操纵变量的选择应遵循原则1) 控制变量 应具有可控性、工艺操作的合理性、经济性;2) 控制通道 放大系数Ko 要适当大一些,时间常数To 要适当小一些,纯滞后时间越小越好;3) 干扰通道 放大系数Kf 应尽可能小,时间常数Tf 要大一些,干扰作用点位置要远离被控量,即靠近执行器为好; 4) 过程本身 若存在多个时间常数,应尽量设法使他们越错开越好;4. 模糊控制器的设计是否依赖被控对象的精确数学模型模糊控制器的设计不依赖被控对象的精确数学模型;5. 某电动比例调节环器的测量范围为100~200 ℃,其输出为4~20mA.当测得电流为16mA,温度问多少度416420100200-=--T T=175C ︒ 6. 设置均匀控制系统的目的和其特点是什么目的是:对表征前后设备供求矛盾的两个变量均匀协调,统筹兼顾.特点是:表征前后供求矛盾的两个变量都应该是缓慢变化的;前后互相联系又互相矛盾的两个变量都应保持在工艺操作所允许的范围内.把比例度和积分时间都整定得比较大,控制作用弱,从而达到均匀控制的目的使前后设备在物料供求上相互均匀、协调7.为什么采用前馈--反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质利用了前馈调节的及时性和反馈调节的静态准确性;前馈控制和反馈控制各有什么特点为什么采用前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质答:前馈控制的特点是:根据干扰工作;及时;精度不高,实施困难;只对某个干扰有克服作用.反馈的特点作用依据是偏差;不及时:精度高,实施方便,对所有干扰都有克服作用.由于两种控制方式优缺点互补,所以前馈-反馈复合系统将能较大地改善系统的控制品质.8.简述过程控制系统设计步骤;1熟悉和理解生产对控制系统的技术要求与性能指标2建立被控过程的数学模型3选择控制方案4过程控制装置选型5实验和仿真9.简述串级控制系统的特点;答：1、改善了被控过程的动态特性,提高了系统的工作频率2、对二次干扰有很强的克服能力;3、提高了对一次扰动的克服能力和对回路常数变化的自适应能力;串级控制系统的主要特点为：1在系统结构上,它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统；2系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量}3由于副回路的存在,对进入副回路的干扰有超前控制的作用,因而减少了干扰对主变量的影响；4系统对负荷改变时有一定的自适应能力;1串级控制系统由于副回路的存在,能够迅速克服进入副回路的扰动的影响;2串级控制系统由于副回路的存在,改善了对象的特性,提高了系统的工作频率; 3串级控制系统由于副回路的存在,使对象非线性特性线性化,提高了系统的自适应能力;4能够更精确控制操纵变量的流量.5可以实现灵活的操作方式选择串级控制系统有哪些主要特点为什么说串级控制系统能迅速克服进入副回路的扰动答案：串级控制系统的结构特点：由两个或两个以上的控制器串联连接,一个控制器的输出是另一个控制器的设定;由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和一个执行器组成;当扰动进入副回路后,首先,副被控变量检测到扰动的影响,并通过副回路的定值控制作用,及时调节操纵变量,使副被控变量回复到副设定值,从而使扰动对主被控变量的影响减少;即副环回路对扰动进行粗调,主环回路对扰动进行细调;因此,串级控制系统能迅速克服进入副回路扰动的影响;特点：主控制器输出改变副控制器的设定值,故副回路构成的是随动系统,设定值是变化的;在串级控制系统中,由于引入了一个副回路,不仅能及早克服进入副回路的扰动,而且又能改善过程特性;副调节器具有“粗调”的作用,主调节器具有“细调”的作用,从而使其控制品质得到进一步提高;10.简述模糊控制器的设计步骤;错误!定义输入/输出变量错误!定义所有变量的模糊化条件错误!设计控制规则库错误!设计模糊推理结构错误!选择精确化策略11.控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系,控制器有哪些基本控制规律解答：基本控制规律：开关控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制;试述过程控制系统中常用的控制规律及其特点;答：控制系统中常用的控制规律有比例P、比例积分PI、比例积分微分PID控制规律; 比例控制规律是控制器的输出信号与它的输入信号给定值与测量值的偏差成比例;它的特点是控制及时,克服干扰能力强,但在系统负荷变化后,控制结果有余差;比例积分控制规律是控制器的输出信号不仅与输入信号成比例,而且与输入信号对时间的积分成比例;它的特点是能够消除余差,但是积分控制作用比较缓慢、控制不及时;比例积分微分控制规律是在比例积分的基础上再加上微分作用,微分作用是控制器的输出与输入的变化速度成比例,它对克服对象的容量滞后有显着的效果;什么是调节器的控制规律基本控制规律有哪几种各有什么特点答：调节器的输出信号随着它的输入偏差信号变化的规律叫控制规律;基本控制规律有：①双位控制：输出不是最大,就是最小,只有两个位置;②比例控制：控制作用及时,有余差;③积分控制：具有消除余差的作用;④微分控制：具有超前调节的作用1、过程控制系统按其基本结构形式可分为几类其中闭环系统中按设定值的不同形式又可分为几种答：过程控制系统按其基本结构形式可分为闭环自动控制系统和开环自动控制系统;在闭环控制系统中,按照设定值的不同形式又可分为：1定值控制系统2随动控制系统3程序控制系统2、试述热电阻测温原理,常用热电阻的种类有哪些0R 各为多少答：热电阻温度计是利用金属导体的电阻值随温度变化而变化的特性来进行温度测量的,只要设法测出电阻值的变化,就可达到温度测量的目的;工业上常用的热电阻有：铂电阻,铜电阻;目前工业上使用的铂电阻有两种：一种是0R =10Ω；另外一种是0R =100Ω;工业上使用的铜电阻也有两种：一种是0R =50Ω；另一种是0R =100Ω;3、试述过程控制系统中常用的控制规律及其特点;答：控制系统中常用的控制规律有比例P 、比例积分PI 、比例积分微分PID 控制规律;比例控制规律是控制器的输出信号与它的输入信号给定值与测量值的偏差成比例;它的特点是控制及时,克服干扰能力强,但在系统负荷变化后,控制结果有余差;比例积分控制规律是控制器的输出信号不仅与输入信号成比例,而且与输入信号对时间的积分成比例;它的特点是能够消除余差,但是积分控制作用比较缓慢、控制不及时;比例积分微分控制规律是在比例积分的基础上再加上微分作用,微分作用是控制器的输出与输入的变化速度成比例,它对克服对象的容量滞后有显着的效果;4、何为控制阀的理想流量特性和工作流量特性常用的调节阀理想流量特性有哪些答：阀前后压差保持不变时的流量特性称为理想流量特性；在实际使用过程中,阀前后的压差会随阀的开度的变化而变化,此时的流量特性称为工作流量特性;常用的调节阀理想流量特性有：直线流量特性、等百分比对数流量特性、快开特性;5、控制器参数整定的任务是什么工程上常用的控制器参数整定有哪几种方法答：控制器参数整定的任务是：根据已定的控制方案,来确定控制器的最佳参数值包括比例度δ积分时间1T 微分时间D T ,以便使系统能获得好的控制质量;控制器参数的工程整定法主要有临界比例度法、衰减曲线法和经验凑试法等;6、什么是调节器的控制规律基本控制规律有哪几种各有什么特点答：调节器的输出信号随着它的输入偏差信号变化的规律叫控制规律;基本控制规律有：①双位控制：输出不是最大,就是最小,只有两个位置;②比例控制：控制作用及时,有余差;③积分控制：具有消除余差的作用;④微分控制：具有超前调节的作用。
过程控制动态特性解析
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
§1-2 被控对象的动态特性
一、基本概念 被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时，
其输出（被调量）随时间变化的规律 。 对于线性系统，其动态特性可用传递函数来描述。
二、典型对象动态特性 1. 典型实例分析
第一篇 简单控制
简单控制系统
占工业控制系统的80％； 复杂过程控制系统的基础。
重要性
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
目录
第一章 生产过程的动态特性 第二章 比例积分微分控制及其调节过程 第三章 简单控制系统的整定
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
第一章 生产过程动态特性
§1-1 过程控制系统的性能指标 §1-2 被控对象的动态特性 §1-3 过程数学模型及其建立方法
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
给定值
控制器
-
广义被控对象
被调量
过程控制的研究内容：
（1）制定控制系统的控制目标（即设计指标参数）； （2）认识生产过程的动态特性（一般为广义对象的动态性）； （3）设计控制器的控制规律及控制结构，使控制系统达到控制 系统的控制指标要求。
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
水阻
T CR K k R
2 R
H0
k
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
（2）双容水箱
Qi
H1 F1
R1 Q1
H2
F2
对物质平衡方程在工作点处进行 线性化处理后达到传递函数为：
G(s) = H2(s) =
过程控制第一章 动态特性
用脉冲响应曲线建模（开环）
用正弦响应建模（闭环）
其他辨识方法建模
21
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
1 阶跃响应获取应注意的问题
（1）合理选择阶跃扰动的幅度 (一般约为额定负荷的10%～20%) （2）实际阀门只能以有限速度移动 一般认为阶跃信号是在t1 /2时加入 （3）试验前确保被控对象处于稳定工况 考虑过程的非线性特性，应进行多次测试。 （4）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动
Kr = K a r-1 1 - Kr-2a2 + + -1 r-1 K 0ar + -1 r br
29
r =n+m
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
3．由阶跃响应确定非自衡过程近似传递函数
非自衡过程传递函数为：
一阶积分环节的纯迟延过程 G(s) = e-τs Ts
一阶积分环节的多容过程
R
Q0
有自平衡单容对象
d H dt
1 F
(k
2
k H0
H )
传递函数：
G(s) = H(s) = K μ(s) Ts 1
水容
CF
水阻 T CR
2 R
H0
k
12
K k R
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
（2）双容水箱
Qi
H1 F1
R1 Q1
H2
F2
对物质平衡方程在工作点处进行 线性化处理后达到传递函数为：
• t1/2处为扰动起点； • 在s型响应曲线找拐点，并作切线；
• 记交点a、b和c
• 起点到a的距离为τ；
Y
b
• a点到c点的距离为T；
第5章-过程控制对象的动态特性
脉冲方波响应特性曲线
5.3.2 测定动态特性的时域方法
一、阶跃及方波响应的测定 在0到t这一时间段内，阶跃响应特性曲线和方 波响应曲线是已知的，以后各段的阶跃响应特性曲 线是该段的方波响应加上t之前的阶跃响应曲线值 。绘图时，先把时间轴分成间隔为t的若干等分， 在第一段中y1(t-t)=0，所以，y1(t)=y(t)；其后每一 段的y1(t)是该段中的y(t)与其相邻前一段的y1(t)之和 。这样即可由方波响应求出阶跃响应，从而得到阶 跃响应特性曲线。
5.2.1 双容对象的调节特性 双容对象是由两个周期惯性环节串联而成，被 调量是第二个水槽的水位h2。当输入量有一个阶跃 增加 Q1时，被调量的反应曲线是如图5-6中变化的
h2曲线。
5.2 多容对象的动态特性
5.2.1 双容对象的调节特性 相比于单容对象，由于双容对象的容器数由1变 为2，因而其阶跃输出特性响应曲线出现了一个容量 滞后 c，而这个 c对调节过程的影响是很大的，在 调节器参数整定过程中，它是一个很重要的参数。
5.1.1 水槽水位的动态特性分析
对于式（5-4），变量Q1、Q2、Q3用额定值和增量的 形式可表示为
Q2 Q20 Q2 ， Q1 Q10 Q1， h h2 h
利用式（5-1），可将式（5-4）化成以增量形式表 示的微分方程 将式（5-5）和式（5-6）代入上式
5.3.2 测定动态特性的时域方法
一、阶跃及方波响应的测定 当输入为阶跃函数时，可用下面的实验方法测 定其输出量变化曲线。 实验时，先让对象稳定地工作于某一稳态一段 时间，然后快速地改变它的输入量，使对象达到另 一稳态。
5.3.2 测定动态特性的时域方法
过程控制第一到三章作业
第一章作业1.1 常用的评价控制系统动态性能的单项性能指标有哪些？它与误差积分指标各有何特点？答：(1)衰减率ψ、超调量σ、稳态误差e ss、调节时间t s、振荡频率ω；(2)单项指标用若干特征参数评价系统优劣，积分指标用误差积分综合评价系统优劣。
1.2 什么是对象的动态特性？为什么要研究对象的动态特性？答：(1)指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律；(2)实现生产过程自动化时，对象的动态特性可以为控制工程师设计出合理的控制系统满足要求提高主要依据。
1.3 通常描述对象动态特性的方法有哪些？答：微分方程或传递函数。
1.4 过程控制中被控对象动态特性有哪些特点？答：无振荡、稳定或中性稳定、有惯性或迟延、非线性但在工作点附近可线性化。
1.11 某水槽水位阶跃响应实验为：其中阶跃扰动量Δµ=20%。
(1)画出水位的阶跃响应曲线；(2)若该水位对象用一阶惯性环节近似，试确定其增益K和时间常数T。
解：MATLAB编程如下：%作出标幺后的响应曲线t=[ 0 10 20 40 60 80 100 150 200 300 400 ];h=[ 0 9.5 18 33 45 55 63 78 86 95 98 ];x=0:0.01:400;y=interp1(t,h,x,'spline'); %三次样条函数据己知的t、h插出x的值yy=y/y(end); %输出标幺plot(x,yy,'k');xlabel('t/s');ylabel('h/mm');title('阶跃响应曲线','fontsize',10);grid;%找出最接近0.39和0.63的点 less1=find(yy<=0.39); more1=find(yy>=0.39); front1=less1(1,end); behind1=more1(1,1);cha11=0.39-yy(1,front1); cha12=yy(1,behind1)-0.39; if cha11<=cha12 t1=x(1,front1) elset1=x(1,behind1) endless2=find(yy<=0.63); more2=find(yy>=0.63); front2=less2(1,end); behind2=more2(1,1);cha21=0.63-yy(1,front2); cha22=yy(1,behind2)-0.63; if cha21<=cha22 t2=x(1,front2) elset2=x(1,behind2) end%求增益K 和时间常数T K=y(end)/20 T=2*(t2-t1)(1)水位的阶跃响应曲线如图：(2)计算结果如下：>> GK1_11 t1 =48.1700t/sh /m m阶跃响应曲线t2 =96.5900K =4.9T =96.8400则该水位对象用一阶惯性环节近似后，得其增益K=4.9，时间常数T≈96.84。
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被控对象就是正在运行着的各种各样的被控制的生产工艺设 备，例如各种加热炉、锅炉、发酵罐、热处理器、精馏塔等。
流入量 和 流出量 的概念 从物质或能量角度 来理解系统的流入量和流出量 从物理角度来理解二者的平衡关系 从系统角度看，二者均是被控对象的输入量
被控对象具有大的储蓄容积，因而属于慢过程 传输迟延/纯迟延：信号传输途中出现的迟延 注意从物理概念及系统角度进行分析
静态数学模型描述的是对象在稳定时（静态）的输入与 输出关系；
动态数学模型描述的是在输入量改变以后输出量跟随变 化的规律；
动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是动态数 学模型在对象达到平衡时的特例
2020年10月6日星期二 00:09
No. 2
系统的动态特性
对象受到干扰作用或调节作用后,被调参数跟随变化规律
➢ 根据被控对象的内在机理，列写原始动态方程组。
➢ 消去中间变量，得到只含有输入变量和输出变量 的微分方程式或传递函数。
➢ 在满足控制工程要求的前提下对动态数学模型进 行必要的简化。
2020年10月6日星期二 00:09
No. 9
例一：一阶对象（有自衡特性的单容对象）
kμ
Q1
h(t)
h
F
Rs Q2
kμ
Q1
由此可得：
Q1 k (t)
化为标准形式 ：
Q2 k h
h
F
dh dt
1 F
(k
k
h)
2020年10月6日星期二 00:09
dh k dt
h
1 F
k
No. 13
Rs Q2
线性化处理 ：
Q2
Q(h0 ) h
2
k h0
h
1 Rs
h
Rs称为液阻：
Rs
2
h0 k
可得一阶水箱对象的增量微分方程为：
2020年10月6日星期二 00:09
No. 1
基本概念
对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出
量之间的关系；对象的数学模型：对象特性的数学描述,即 被控对象的输出量（被控量）在输入量（控制量和 扰动量）作用下变化的数学函数关系式。 ——建立这
种数学关系的过程称作数学建模 对象特性的分类
n阶惯性环节加纯迟延
Gp
(s)
K
Ts 1n
e s
另外一种自衡过程的 表示方法是，用有理 式加纯迟延,略
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No. 5
2. 无自衡的非振荡过程：较为常见的过程特性，传
递函数形式如下
所谓无自平衡过程是指受扰过程的平衡状态被破坏后，在没有源自作人员或仪表非自衡过程应包含积
存物料或能量的能力，储存能力的大小通常用容量 或容量系数表示，其表示符号为C。其物理意义是： 引起单位被控量变化时被控对象储存能量、物料量 变化的大小。
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No. 12
例一：一阶对象（有自衡特性的单容对象）
由体积守恒可得：
且阀门特性为：
dh dt
1 F
(Q1
Q2 )
No. 3
对象动态特性的研究方法
★理论分析
根据系统工艺实际过程的数、质、量关系，分析计算输入量与输出量之间的关 系
★实验研究
有些系统的输入与输出之间的关系是比较难以通过计算来获得的。需要在实际 系统或实验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变化规律——反映输入与 输出关系的经验曲线和经验函数关系
Gp
(s)
K (1 Td s)
T1s 1T2s 1
es
Gp (s)
K (1 Td s)
sTs 1
es
反向特性
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No. 8
机理法建立被控对象的数学模型
机理法建模的基本步骤如下：
➢根据建模过程和模型使用目的做出合理假设。
➢根据被控对象的结构以及工艺生产要求进行基本分 析，确定被控对象的输入变量和输出变量。
故有： 即：
Q1
Q2
dV dt
dh 1
dt F (Q1 Q2 ) 其中F是横截面积。
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No. 11
机理法建立被控对象的数学模型
由上可见，液位变化dh/dt由两个因素决定：
➢一是储存罐的截面积F；
➢一是流入量与流出量之差Q1-Q2。 F越大，dh/dt越小；Q1-Q2越大，dh/dt越大。 在过程控制系统中，被控对象一般都有一定储
等干预下，依靠被控过程自身能力不能 重新回到平衡状态。
分环节，加纯迟延：
Gp
(s)
K Ts
es
Gp
(s)
K
sTs 1
es
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No. 6
3. 自衡的振荡过程：传递函数形式如下
Gp
(s)
(T
2s2
K
2Ts
1)
es
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No. 7
4. 具有反向特性的过程 传递函数形式如下
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No. 4
大多数工业过程的动态特性分属于下列四种类型：
1. 有自衡的非振荡过程：
一阶惯性环节加纯迟延
Gp
(s)
K Ts 1
es τ为过程的纯 滞后时间
二阶惯性环节加纯迟延
Gp
(s)
T1s
K
1T2 s
1
es
所谓自平衡过程是指被控对象在扰动 作用下，平衡状态被破坏后，不需要 操作人员或仪表的干预，依靠自身能 够恢复平衡的过程。
dh dt
1 F
(k
1 Rs
h)
以平衡态为起点，则可去掉增量符号得线性微分方程
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dh 1 h k
dt Rs F F
No. 14
机理法建立被控对象的数学模型
取Laplace变换，可得液位变 化与流入量(开度)之间的传递 函数(一般形式)：
G(s) H (s) K
研究系统动态特性的核心是：寻找系统输入与输出之 间的规律(函数)
系统输入量：干扰作用、调节作用 系统输出量：系统的主要被调参数、副作用
数学模型的表示方法
非参量模型：用曲线、图表表示的系统输入与输出量之间的关系； 参量模型：用数学方程式表示的系统输入与输出量之间的关系
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(s) Ts 1
其中T为过程时间常数，K为 过程放大系数。
有自平衡过程的阶跃 响应过程
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t0
t
其中：kμ调节阀阀门系数；RS手动阀门局部阻力系数，
截面积为F，负荷Q2，输入阀门开度μ ，被调量h
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No. 10
机理法建立被控对象的数学模型
根据物料平衡关系(体积守恒)，即在单位 时间内储存罐的液体流入量与单位时间内储 存罐的液体流出量之差，应等于储存罐中液 体储藏量的变化率。