化工自动化及仪表第二章
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化工自动化及仪表第二 章
2020/11/12
化工自动化及仪表第二章
•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
•过程特性：
•操纵变wenku.baidu.com、扰动变
量
•是指被控过程的输入变量发生变化时，其输出变
量随时间的变化规律。
•被控变 量 化工自动化及仪表第二章
•研究过程特性的必要性： •为了更好地实施控制
•定义2：在阶跃外作用下，一个阻容环节 的输出变化量保持初始变化速度，达到新 的稳态值所需要的时间。
化工自动化及仪表第二章
•任何过程都具有储存物料或能量的能力，如 过程的容量有热容、液容、气容。 •任何过程在物料或能量的传递过程中，也总是 存在着一定的阻力，如热阻、液阻、气阻。
•因此，可以用过程容量系数C与阻力系 数R的乘积来表征过程的时间常数。
化工自动化及仪表第二章
•本章内容：
•2.1 过程特性的类型 •2.2 过程的数学描述 •2.3 过程特性的一般分析 •2.4 过程特性的实验测定方法
化工自动化及仪表第二章
•2•操.1纵过变量程、特扰性动变的类型
量
•通道： •输入变量对输出变量的作用途径 •控制通道：•操纵变量q(t)对被控变量c(t)的作用途径 •扰动通道：•扰动变•量量被f控(t)变对被控变量c(t)的作用途径
化工自动化及仪表第二章
•由前面的分析（略）可得： •一阶被控过程控制通道的动态方程为：
•有纯滞后
•一阶被控过程扰动通道的动态方程为：
化工自动化及仪表第二章
•其中：
分别为控制通道、扰动通道的
时间常数和放大系数；
•
分别为被控变量增量、操纵变
量增量和扰动变量增量。
化工自动化及仪表第二章
•2.3 过程特性的一般分析
•响应曲线的种类：(在阶跃扰动作用下)
•有自衡的非振荡过 程
•无自衡的非振荡过程
化工自动化及仪表第二章
•有自衡的振荡过程 •具有反向特性的过程
化工自动化及仪表第二章
•有自衡的非振荡过程如下图中的液位过程
化工自动化及仪表第二章
•无自衡的非振荡过程如下图中的液位过程
化工自动化及仪表第二章
•2.2 过程的数学描述
化工自动化及仪表第二章
• 控制通道的放大系数 Ko反映了过程以初始工作 点为基准的被控变量与操纵 变量在过程变化结束时的变 化量之间的关系，是一个稳 态特性参数。
•初始工作点：过程原有的 稳定状态。
•生产负荷：过程的生产能 力或处理量。。
化工自动化及仪表第二章
•在负荷不变的情况下，蒸汽量不同，达到平衡的 出口温度不同；反之，在蒸汽量相同，处理量 （负荷）不同的情况下，达到平衡的出口温度也 不同。
•(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 态时被控变量的变化量 与扰动幅度Δf之比。
化工自动化及仪表第二章
•(2) 扰动通道的放大系数Kf
•Kf该如何选择呢？ •Kf越大，说明在某
一固定的△f下，被
• 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τ。
➢放大系数K •(1) 控制通道的放大系数Ko •(2) 扰动通道的放大系数Kf
化工自动化及仪表第二章
•(1) 控制通道的放大系数Ko
•定义：在扰动变量f(t)不变 的情况下，被控变量的变化 量Δc(t)与操纵变量的变化量 Δq(t)在时间趋于无穷大时之 比
化工自动化及仪表第二章
•2.1 过程特性的类型
•对象特性主要通过响应曲线来呈现 •控制通道的响应曲线：当操纵变量q(t)做阶跃变化 （扰动f(t)不变）时被控变量的时间特性c(t) •扰动通道的响应曲线：当扰动变量f(t)做阶跃变化 （控制作用q(t) 不变）时被控变量的时间特性c(t)
化工自动化及仪表第二章
•相当于对扰动信号进行滤波。
•希望Tf大
化工自动化及仪表第二章
➢纯滞后τ
•定义：在过程的输入变量发生变化后，输出变量 不是立即变化，而是隔一段时间才开始发生变化， 这种现象称为纯滞后（时滞）现象。
• 定义中的纯滞后 包括了两种滞后：纯 滞后、容量滞后。
• 实际工业过程中 的纯滞后时间是指纯 滞后与容量滞后时间 之和
• 要研究被控过程的特性，就必须知道被控过程的 数学模型，也就是对过程的数学描述。 •数学模型：表示具体过程的输入、输出关系的数学方 程式。 •其形式有：微分方程式、偏微分方程式、状态方程
化工自动化及仪表第二章
•2.2 过程的数学描述
•建立数学模型的方法：机理建模法、实验测定法
•能量平衡方程等
•蒸汽加热器
化工自动化及仪表第二章
•（1）控制通道时间常数To对控制系统的影响 •在相同的控制作用下， •过程的时间常数To越大， •被控变量的变化越缓慢。
•To越小， •被控变量的变化越快。
•希望To适中
化工自动化及仪表第二章
• （2）扰动通道时间常数Tf 对控制系统的影响 •过程的时间常数Tf 越大越好 •对被控变量的影响越小
控变量的变化会大； 反之亦然。 •很显然，希望Kf小。
化工自动化及仪表第二章
➢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。 • 控制过程中时间常数的概念来源于电 工学中时间常数的概念。
• 在阻容环节的充电过程中，T=RC表征 了充电过程的快慢。
化工自动化及仪表第二章
•定义1：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,称为该阻容环 节的时间常数。
•具有纯滞后时间的阶跃响应曲
线
化工自动化及仪表第二章
•纯滞后τo是由于信息的传递需要时间而引起的。
•物料传输
化工自动化及仪表第二章
•（1）可能源于被控变量c(t)至测量值y(t)的检测通
道；
•（2）可能源于控制信号u(t)至操纵变量q(t)的一
侧。
化工自动化及仪表第二章
•容量滞后是多容量过程的固有特性，是由于物料或能 量的传递都会遇到一定的阻力而引起的。
•F
化工自动化及仪表第二章
•过程的放大系数是变化的， 受负荷和工作点的影响。 •在相同的负荷下， Ko随工 作点的增大而减小； •在相同的工作点下，Ko随 负荷的增大而减小。
•蒸汽加热器的稳态特 性
•Ko该如何选择呢？
化工自动化及仪表第二章
•选择Ko的原则： •希望Ko大一
些。
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2020/11/12
化工自动化及仪表第二章
•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
•过程特性：
•操纵变wenku.baidu.com、扰动变
量
•是指被控过程的输入变量发生变化时，其输出变
量随时间的变化规律。
•被控变 量 化工自动化及仪表第二章
•研究过程特性的必要性： •为了更好地实施控制
•定义2：在阶跃外作用下，一个阻容环节 的输出变化量保持初始变化速度，达到新 的稳态值所需要的时间。
化工自动化及仪表第二章
•任何过程都具有储存物料或能量的能力，如 过程的容量有热容、液容、气容。 •任何过程在物料或能量的传递过程中，也总是 存在着一定的阻力，如热阻、液阻、气阻。
•因此，可以用过程容量系数C与阻力系 数R的乘积来表征过程的时间常数。
化工自动化及仪表第二章
•本章内容：
•2.1 过程特性的类型 •2.2 过程的数学描述 •2.3 过程特性的一般分析 •2.4 过程特性的实验测定方法
化工自动化及仪表第二章
•2•操.1纵过变量程、特扰性动变的类型
量
•通道： •输入变量对输出变量的作用途径 •控制通道：•操纵变量q(t)对被控变量c(t)的作用途径 •扰动通道：•扰动变•量量被f控(t)变对被控变量c(t)的作用途径
化工自动化及仪表第二章
•由前面的分析（略）可得： •一阶被控过程控制通道的动态方程为：
•有纯滞后
•一阶被控过程扰动通道的动态方程为：
化工自动化及仪表第二章
•其中：
分别为控制通道、扰动通道的
时间常数和放大系数；
•
分别为被控变量增量、操纵变
量增量和扰动变量增量。
化工自动化及仪表第二章
•2.3 过程特性的一般分析
•响应曲线的种类：(在阶跃扰动作用下)
•有自衡的非振荡过 程
•无自衡的非振荡过程
化工自动化及仪表第二章
•有自衡的振荡过程 •具有反向特性的过程
化工自动化及仪表第二章
•有自衡的非振荡过程如下图中的液位过程
化工自动化及仪表第二章
•无自衡的非振荡过程如下图中的液位过程
化工自动化及仪表第二章
•2.2 过程的数学描述
化工自动化及仪表第二章
• 控制通道的放大系数 Ko反映了过程以初始工作 点为基准的被控变量与操纵 变量在过程变化结束时的变 化量之间的关系，是一个稳 态特性参数。
•初始工作点：过程原有的 稳定状态。
•生产负荷：过程的生产能 力或处理量。。
化工自动化及仪表第二章
•在负荷不变的情况下，蒸汽量不同，达到平衡的 出口温度不同；反之，在蒸汽量相同，处理量 （负荷）不同的情况下，达到平衡的出口温度也 不同。
•(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 态时被控变量的变化量 与扰动幅度Δf之比。
化工自动化及仪表第二章
•(2) 扰动通道的放大系数Kf
•Kf该如何选择呢？ •Kf越大，说明在某
一固定的△f下，被
• 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τ。
➢放大系数K •(1) 控制通道的放大系数Ko •(2) 扰动通道的放大系数Kf
化工自动化及仪表第二章
•(1) 控制通道的放大系数Ko
•定义：在扰动变量f(t)不变 的情况下，被控变量的变化 量Δc(t)与操纵变量的变化量 Δq(t)在时间趋于无穷大时之 比
化工自动化及仪表第二章
•2.1 过程特性的类型
•对象特性主要通过响应曲线来呈现 •控制通道的响应曲线：当操纵变量q(t)做阶跃变化 （扰动f(t)不变）时被控变量的时间特性c(t) •扰动通道的响应曲线：当扰动变量f(t)做阶跃变化 （控制作用q(t) 不变）时被控变量的时间特性c(t)
化工自动化及仪表第二章
•相当于对扰动信号进行滤波。
•希望Tf大
化工自动化及仪表第二章
➢纯滞后τ
•定义：在过程的输入变量发生变化后，输出变量 不是立即变化，而是隔一段时间才开始发生变化， 这种现象称为纯滞后（时滞）现象。
• 定义中的纯滞后 包括了两种滞后：纯 滞后、容量滞后。
• 实际工业过程中 的纯滞后时间是指纯 滞后与容量滞后时间 之和
• 要研究被控过程的特性，就必须知道被控过程的 数学模型，也就是对过程的数学描述。 •数学模型：表示具体过程的输入、输出关系的数学方 程式。 •其形式有：微分方程式、偏微分方程式、状态方程
化工自动化及仪表第二章
•2.2 过程的数学描述
•建立数学模型的方法：机理建模法、实验测定法
•能量平衡方程等
•蒸汽加热器
化工自动化及仪表第二章
•（1）控制通道时间常数To对控制系统的影响 •在相同的控制作用下， •过程的时间常数To越大， •被控变量的变化越缓慢。
•To越小， •被控变量的变化越快。
•希望To适中
化工自动化及仪表第二章
• （2）扰动通道时间常数Tf 对控制系统的影响 •过程的时间常数Tf 越大越好 •对被控变量的影响越小
控变量的变化会大； 反之亦然。 •很显然，希望Kf小。
化工自动化及仪表第二章
➢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。 • 控制过程中时间常数的概念来源于电 工学中时间常数的概念。
• 在阻容环节的充电过程中，T=RC表征 了充电过程的快慢。
化工自动化及仪表第二章
•定义1：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,称为该阻容环 节的时间常数。
•具有纯滞后时间的阶跃响应曲
线
化工自动化及仪表第二章
•纯滞后τo是由于信息的传递需要时间而引起的。
•物料传输
化工自动化及仪表第二章
•（1）可能源于被控变量c(t)至测量值y(t)的检测通
道；
•（2）可能源于控制信号u(t)至操纵变量q(t)的一
侧。
化工自动化及仪表第二章
•容量滞后是多容量过程的固有特性，是由于物料或能 量的传递都会遇到一定的阻力而引起的。
•F
化工自动化及仪表第二章
•过程的放大系数是变化的， 受负荷和工作点的影响。 •在相同的负荷下， Ko随工 作点的增大而减小； •在相同的工作点下，Ko随 负荷的增大而减小。
•蒸汽加热器的稳态特 性
•Ko该如何选择呢？
化工自动化及仪表第二章
•选择Ko的原则： •希望Ko大一
些。
化工自动化及仪表第二章