生产过程的动态特性

1、被控对象：即被控制的生产设备或装置，如液 罐、加热器、管路系统等。 被控变量－被控对象需控制的变量，如液位、温 度、流量等。 2、执行器：直接用于控制操纵变量变化。执行器 接收到控制器的输出信号，通过改变执行器节流 件的流通面积来改变操纵变量。常用的是控制阀。 3、控制器（调节器）：按一定控制规律进行运算， 将结果输出至执行器。 4、测量变送器：用于检测被控量，并将检测到的 信号转换为标准信号输出。如压力变送器、液位 变送器。
通常安装 于控制室 通常安装 于 现场
x
e = x-z z
控制器
p
执行器
q
干扰
被控对象
y
显示 仪表
变送器
温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪 （通常输出：4~20mA、1～5V 等标准信号）液位开关、料位开关、接近开关 (通常输出on/off信号)传感器（Pt100、 热电偶……）……
控制系统的组成
本章重点内容
重点：

掌握过程控制系统的组成
结合具体对象，掌握控制系统的方块图 描述法


了解控制系统的性能指标
掌握被控对象的动态特性

了解过程数学模型及其建立方法
一 控制系统的组成
阀门：调节阀、电磁阀、气动蝶阀 四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器（显 …… 示仪表根据需要可选） 泵：开关泵、变频泵
阶跃输入下，过渡过程的形式分为非周期过程和 振荡过程。
(1)非周期过程：扰动下，被控量的变化单调增大 或减小的过程。
•单调发散：被控量不振荡，偏离给定值越 来越远
•单调衰减：被控量的变化速度越来越慢， 逐步趋于给定值而稳定下来。
(2)振荡过程
扰动后，被控量在其给定值附近上下波动的过程。 •发散振荡：被控量一直处于振荡状态，且振幅 逐渐增加。
（4） 调节时间和振荡频率 调节时间ts:是从过渡过程开始到结束所需的时间，理论上它 需要无限长的时间，一般认为当被调量已进入其稳态值的 ±5%范围内，就算过渡过程结束． 振荡频率：是振荡周期T的倒数，即β＝2π/T 在相同衰减比n下，振荡频率越高，调节时间越短； 在相同振荡频率下，衰减比越大，调节时间越短。
3、过程特性的类型 多数工业过程的特性可分为下列四种类型： (1) 自衡的非振荡过程 (2) 无自衡的非振荡过程
(3) 有自衡的振荡过程
(4) 具有反向特性的过程
（过程特性通常在阶跃信号的作用下的表现）
过程特性的类型
(1)自衡的非振荡过程
过程能自发地趋于新稳态值的特性称为自衡性。在阶跃信 号的作用下，被控变量C (t)不经振荡，逐渐向新的稳态值 C(∞)靠拢,这类工业过程称为具有自衡的非振荡过程。
•等幅振荡：被控量一直处于振荡，且振幅相等。 •衰减振荡：被控量波动的幅度越来越小，最后 趋于稳定
图
过渡过程的几种形式
3、性能指标
评价控制系统的性能指标：稳定性、准确性、快 速性。这三方面在时域上体现为若干性能指标。
•稳定性：稳定性是指系统受到外来作用后，其动态过 程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。如果系统受到 外来作用后，经过一段时间，其被控变量可以达到某 一稳定状态，则称系统是稳定的；否则，则称系统是 不稳定的。 •准确性：理想情况下，当过渡过程结束后，被控变量达 到的稳态值（即平衡状态）应与设定值一致。 •快速性：快速性是通过动态过程持续时间的长短来表 征的。
y1 y3 1 1 y1 n
（2）最大动态偏差和超调量 最大动态偏差y1：指设定值阶跃响应中，过度过程开始后第一 个波峰超过其新稳态值的幅度． 超调量：最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分数. σ=y1/y∞ （3） 残余偏差（余差）：
指过渡过程结束后，被调量新的稳态值y∞与新的设定值r之 间的差值，即e(∞)＝ r－y∞，它是衡量控制系统稳态准确度的 指标。
IAE e(t ) dt
0

把不同时刻、不同 幅值的偏差等同对待
各方面的性能 比较均衡
平方误差积分 （ISE）
ISE e (t )dt
2 0
对大偏差敏感
最大偏差小但 回复时间长
一般用于评定定 值控制系统的质量 指标
时间与偏差绝 对值乘积的积分 （ITAE）
ITAE t e(t ) dt
被控过程的输入量与输出量之间的信号联系 控制通道-----操纵变量至被控变量的信号联系 扰动通道-----扰动变量至被控变量的信号联系
扰动变量（输入量） 被控变量（输出量）
操纵变量（输入量）
2、工业过程动态特性的特点 （1）对象的动态特性是不振荡的 （2）对象动态特性有迟延 迟延包括容积迟延、传输迟延。 （3）被控对象本身是稳定的或中性稳定的 （4）被控对象往往具有非线性特性
y(∞)
ts
图 闭环控制系统在设定值扰动下的阶跃响应
单项指标
（1） 衰减比和衰减率
衰减比：衡量一个振荡过程的衰减程度的指标, 它等于两个相临的同向波峰峰值之比.
y1 n y3
n>1 n=1 n<1 衰减振荡，趋于稳定 等幅振荡 发散振荡
ห้องสมุดไป่ตู้
衰减率：它是指每经过一个周期后，波动幅 度衰减的百分数，即 衰减率
0

对初期偏差不敏感 而对后期偏差敏感
最大偏差大但 回复时间短
一般用于评定随 动控制系统的质量 指标
三 被控对象的动态特性
1、基本概念 动态特性定义：指被控过程输入量发生变化时，过程输出 量的变化规律。 工业过程中的各种装置和设备，如换热器、 被控对象： 锅炉、精馏塔、化学反应器、贮液槽罐、加 热炉等 通道
稳定性指标：衰减比（衰减率） 准确性指标：残余偏差，最大动态偏差，超调量
快速性指标：调节时间（振荡频率）
综合指标
综合控制指标又称为偏差的积分性能指标，常用于分析系统的动态响 应性能。常用的综合控制指标见表1.
名 称 公

式
特
点
控制结果
适用范围
一般用于评定定 值控制系统的质量 指标
绝对误差积分 （IAE）
二 过程控制系统的性能指标
1、 过程控制系统的几个概念
稳态：
系统不受外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量 也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况
动态： 系统受外来干扰或设定值改变后，被控量随时间变化，系 统处于未平衡状态。 过度过程：从一个稳态到达另一个稳态的过程。
2、 过渡过程的形式