过程特性

华南理工大学
环境科学与工程学院
过程特性
在化工生产过程中，最常见的被控过程是各类热交换器、塔器、反应器、加热炉、锅炉、窑炉、储液槽、泵、压缩机等。

(废水处理厂的过程有哪些？) 。

每个过程都各有其自身固有特性，而过程特性的差异对整个系统的运行控制有着重大影响。

有的生产过程较易操作，工艺变量能够控制得比较平稳；有的生产过程很难操作，工艺变量容易产生大幅度的波动，只要稍不谨慎就会越出工艺允许的范围。

必须充分了解过程的特性
只有充分了解和熟悉生产过程，才能得心应手地操作，使工艺生产在最佳状态下进行。

必须充分了解过程的特性，掌握其内在规律，确定合适的被控变量和操纵变量。

有些工艺变量相互是有关联的，仪表工程师对工艺过程不了解，难以做出最佳的设计。

工艺工程师对仪表不了解，也难以得到最佳的生产系统。

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选择控制系统与方案
在此基础上才能选用合适的检测和控制仪表，选择合理的控制器参数，设计合乎工艺要求的控制系统。

特别在设计新型的控制方案时，例如前馈控制、解耦控制、时滞补偿控制、预测控制、软测量技术及推断控制、自适应控制、计算机最优控制等。

什么是过程特性
是指当被控过程的输入变量（操纵变量或扰动变量）发生变化时，其输出变量（被控变量）随时间的变化规律。

将操纵变量q(t)对被控变量c(t)的作用途径称为控制通道。

对应的是控制通道响应曲线。

将扰动f(t)对被被控变量c(t)的作用途径称为扰动通道。

对应的是扰动通道响应曲线。

过程特性的类型 响应曲线可分为四种类
型。

(1)自衡的非振荡过程：
在阶跃作用下，被控变
量不经振荡，逐渐向新
的稳态值靠拢，称自衡
的非振荡过程。

如补水、蒸汽加热等。

过程特性的类型
(2)无自衡的非振荡过程：这类过程在阶跃作用下，被控变量会一直上升或下降，直到极限值。

过程特性的类型
(3)自衡的振荡过程：在阶跃作用下，被控变量出现衰减振
荡过程，最后能趋向新的稳态值，称自衡的振荡过程。

(4)具有反向特性的过程：有少数过程会在阶跃作用下，被
控变量先降后升，或先升后降，即起始时的变化方向与最终的变化方向相反。

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过程的数学描述
在研究被控过程特性时通常必须将具体过程的输入、输出关系用数学方程式表达出来，这种数学模型又称为参量模型。

建立数学模型最基本的方法是根据被控过程的内部机理列写各种有关的平衡方程，如物料平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、相平衡方程以及某些物性方程、设备特性方程、化学反应定律、电路基本定律等，从而获得被控过程的数学模型。

这种建立数学模型的方法称为机理建模方法，所建立的数学模型又称为机理模型。

过程特性的一般分析 描述有自衡非振荡过程
的特性参数有放大系数K 、时间常数T 和时滞
τ0。

设过程处于原有稳定状态时，被控变量为
c(O )，操纵变量为
q(O )。

操纵变量q(t)对应的放大系数K 0的数值大，说明控制作用显著。

操控变量的放大系数
操控变量q(t)对应的放大系数Ｋｏ的数值大，说明控制作用显著。

工艺上允许有几种控制手段可供选择，应该选择Ｋｏ适当大的作为操纵变量。

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在系统运行过程中要求放大系数恒定才能获得满意的控制过程。

扰动通道放大系数Kf 在操纵变量q(t)不变的情况
下，过程受到幅度为△f的
阶跃扰动作用，过程从原有
稳定状态达到新的稳定状态
时被控变量的变化量△c(∞)
与扰动幅度△f之比称为扰
动通道的放大系数Kf。

Kf△f大时，定值控制系统
的最大偏差亦大。

时间常数T
时间常数T是表征被控变量变化快慢的动态参数。

在电工学中阻容环节的充电过程快慢取决于电阻R、电容C大小，R，C的乘积就是时间常数T，其定义为：在阶跃外作用下，一个阻容环节的输出变化量完成全部变化量的63.2%所需要的时间，就是这个环节的时间常数T。

过程的容量有热容、液容、气容等。

过程的容量系数C与阻力系数R之积来表征过程的时间常数T。

时间常数对控制系统的影响•在相同的控制作用下，过程的时间常数T大，则被控变量的变化比较和缓，一般而言，这种过程比较稳定，容易控制，但控制过程过于缓慢；过程的时间常数T小，则情况相反。

•过程的时间常数太大或太小，在控制上都将存在一定的困难，因此需根据实际情况适当考虑。

•就扰动通道而言，时间常数T大些有一定的好处，相当于将扰动信号进行滤波，这时阶跃扰动对系统的作用显得比较和缓，因而这种过程比较容易控制。

纯滞后τ 不少过程在输入变化
后，输出不是随之立即
变化，而是需要间隔一
段时间才发生变化，这
种现象称为纯滞后(时
滞)现象。

例如：曝气池的曝气量
增大后，溶解氧量的变
化。

纯滞后对控制通道的影响
实际工业过程中纯滞后时间往往是纯滞后与容量滞后时间之和。

τ＝τ0+τc
纯滞后τ对系统控制过程的影响，需按其与过程的时间常数T 的相对值τ/T 来考虑。

一般认为τ/T ≤0.3的过程较易控制，而τ/T>(0.5～0.6)的过程往往需用特殊控制规律。

纯滞后对扰动通道的影响
对于扰动通道来说，如果存在纯滞后，相当于将扰动作用推延一段纯滞后时间τ0后才进入系统，而扰动在什么时间出现，本来就是不能预知的。

因此并不影响控制系统的品质，即对过渡过程曲线的形状没有影响。

在不同变量的过程中，液位和压力过程的τ较小，流量过程的τ和T 都较小，温度过程的τc 较大，成分过程的τ0和τc 都较大。

过程特性参数的实验测定方法 过程特性参数可以在机理建模后得到。

但是在生产中很多过程是很难通过机理分析得到数学方程式。

工程上过程特性参数多数通过实验测定来得到。

最简便的方法就是直接在原设备或机器中施加一定的扰动，并对该过程的输出变量进行测量和记录，而后进行分析整理，取得过程特性的数学表达式。

阶跃扰动法
阶跃扰动法又称反应曲线法。

当过程处于稳定状态时，在过程的输入端施加一个幅度已知的阶跃扰动，测量和记录过程输出变量的数值，即可画出输出变量随时间变化的反应曲线。

根据响应曲线，再经过处理，就能得到过程特性参数。

阶跃扰动法
矩形脉冲扰动法
用阶跃扰动可以获得完整的响应曲线，但是过程将在较长时间内处于相当大的扰动作用下，被控变量的偏差往往会超出生产所允许的数值，以致试验不能继续下去。

在这种情况下，应采用矩形脉冲扰动法。

所渭矩形脉冲扰动法，就是先在过程上加入一个阶跃扰动，待被控变量继续上升(或下降)到将要超过工艺允许变化范围时，立即撤除扰动。

这时继续记录被控变量，直到其稳定为止，再根据记录曲线，求取过程特性参数。

响应曲线y(t)也就是阶跃扰动f1(t)和f2(t)作用下的响应曲线代数和
周期扰动法
周期扰动法是在过程的输入端施加一系列频率不同的周期性扰动，一般以正弦波扰动居多。

由于正弦波扰动围绕在设定值上下波动，对工艺生产的影响较小，测试精度较高，而且可直接取得过程的频率特性，数据处理简单、直观，这是周期扰动法突出的优点。

统计相关法
采用统计相关法测定过程动态特性可以在生产正常运行状态下进行。

可以直接利用正常运行所记录的数据进行统计分析，建立数学模型，进而获取过程特性参数。

由于正常运行时的记录数据参数波动不大，统计分析的精度不高。