过程控制第一章动态特性解析
过程控制1实验一对象特性的测定
U1 =50% Q1=4.2~4.3(L/M) U2 =25% Q2=2.1~2.3(L/M) U2 =35% Q2=3.5~3.7(L/M) Kc =1 Ti=60(s) Td=0(s)
8-16
Q2 (L/M)
3.6(35%)
2.1(25%)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.416.819.221.6
h2 (cm)
16.81 9.2
13.
152.
100.
95.0
7.5
6.0
4.5
3.0
1.5
t (分)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.4 16.8 16.8 19.2 t (分)
Q2 (L/M)
3.6(35%)
2.1(25%)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.4 16.8 16.8 19.2
h2 (cm)
13. 152. 100. 95.0 7.5 6.0 4.5 3.0 1.5
t (分)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.4 16.8 16.8 19.2 t (分)
Q2 (L/M)
3.6(35%)
2.1(25%)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.4 16.8 16.8 19.2
10
8
6
4
2
0
h2(cm) 2.5
5
7.5
10 t (分)
16
12
8
4
0
2.5 5 7.5 10 t (分)
8-10
4、根据实验原理所述方法和实验得到的响应曲线，求出双容水箱 的放大倍数K、时间常数T1 、T2、滞后时间τ、传递函数G(s)。
第1章过程控制系统概述习题与思考题
第1章 过程控制系统概述习题与思考题1.1 什么是过程控制系统，它有那些特点？1.2 过程控制的目的有那些？1.3 过程控制系统由哪些环节组成的，各有什么作用？过程控制系统有那些分类方法？1.4 图1.11是一反应器温度控制系统示意图。
A 、B 两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器的温度保持不变。
试画出该温度控制系统的方框图，并指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数及可能影响被控参数变化的扰动有哪些？1.5 锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。
汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。
水位过高，会使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备；而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。
因此，必须对汽包水位进行严格控制。
图1.12是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：1）画出该控制系统方框图。
2）指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数和扰动参数各是什么。
3）当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。
V-1图1.12 锅炉汽包水位控制示意图1.6 评价过程控制系统的衰减振荡过渡过程的品质指标有那些？有那些因素影响这些指标？1.7 为什么说研究过程控制系统的动态特性比研究其静态特性更意义？1.8 某反应器工艺规定操作温度为800 10℃。
为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。
现运行的温度控制系统在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图1.13所示。
1）分别求出稳态误差、衰减比和过渡过程时间。
2）说明此温度控制系统是否已满足工艺要求。
T/℃图1.13 某反应器温度控制系统过渡过程曲线1.9 简述过程控制技术的发展。
1.10 过程控制系统与运动控制系统有何区别？过程控制的任务是什么？设计过程 控制系统时应注意哪些问题？第3章 过程执行器习题与思考题3.1 试简述气动和电动执行机构的特点。
3.2 调节阀的结构形式有哪些？3.3 阀门定位器有何作用？3.4 调节阀的理想流量特性有哪些？实际工作时特性有何变化？3.5 已知阀的最大流量min v q =50m 3，可调范围R=30。
第1章被控对象数学模型分析解析
h KQ1 (1 e
t / T
)
1.3 机理法建立被控对象的数学模型
2．无自平衡单容过程
所谓无自平衡过程是指受扰过程的平衡状态被破坏后， 在没有操作人员或仪表等干预下，依靠被控过程自身能力不 能重新回到平衡状 态。如图所示为无 自平衡单容液位过 程。
1.3 机理法建立被控对象的数学模型
1.3 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。 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。
1.2 被控对象的数学模型 的建立
1.2.2 实验法建模
实验法建模是根据被控对象输入/输出的 实验测试数据通过数学处理后得出数学模 型。此方法又称为系统辨识。 系统辨识是根据测试数据确定模型结构 （包括形式、方程阶次以及时滞情况等）， 在已定模型结构的基础上，再由测试数据 确定模型的参数即为参数估计。
1.2.1 机理法建模
机理法建模就是根据生产过程中实际发生的 变化机理，写出各种相关的平衡方程，如：物质 平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、相平 衡方程以及反映流体流动、传热、化学反应等基 本规律的运动方程、物性参数方程和某些设备的 特性方程，从中获得所需的被控过程的数学模型。
1.2 被控对象的数学模型 的建立
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A；
一是流入量与流出量之差Q1-Q2。
A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。 本例中A是决定液位变化率大小的因素。
过程控制课后习题答案解析
.WORD完美格式.第1章自动控制系统基本概念~~1-3 自动控制系统主要由哪些环节组成？解自动控制系统主要由检测变送器、控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。
~~ 1-5 题1-5图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。
试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。
题1-5图加热器控制流程图解PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。
~~~~~ 1-7 在自动控制系统中，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用？解测量变送装置的功能是测量被控变量的大小并转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）送往控制器；控制器接受测量变送器送来的信号，与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压或电流）发送出去执行器即控制阀，它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度，从而改变操纵变量的大小。
~~~1-8．试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量、操纵介质？解：被控对象（对象）——自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、生产设备或机器。
被控变量——被控对象内要求保持设定值的工艺参数。
控系统通常用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等。
给定值（或设定值或期望值）——人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。
它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。
操纵变量（调节变量）——对被控变量具有较强的直接影响且便于调节（操纵）的变量。
或实现控制作用的变量。
操纵介质(操纵剂)——用来实现控制作用的物料。
~~~1-11 题l-11图所示为一反应器温度控制系统示意图。
A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。
过程控制第一章
1.4 过程控制的特点 (1)被控过程形形色色 (1)被控过程形形色色 由于生产规模大小不同，工艺要求各异， 由于生产规模大小不同，工艺要求各异，产品 多种多样，过程控制中被控过程的形式很多， 多种多样，过程控制中被控过程的形式很多，比如 化学反应器、精馏塔、锅炉、 化学反应器、精馏塔、锅炉、压力容器以及给矿设 备和丙烯冷却器等。 备和丙烯冷却器等。 (2)控制过程多属缓慢过程和参量控制形式 (2)控制过程多属缓慢过程和参量控制形式 许多工业生产过程设备体积大， 许多工业生产过程设备体积大，工艺反应过程 缓慢，具有大惯性大滞后等特点。 缓慢，具有大惯性大滞后等特点。
矿量给定
矿量 控制器 电子 皮带秤
例：冶金行业选矿过程矿石流量控制系统
名词术语： 名词术语： 被控变量y(t) 被控过程内要求保持设定数值的工艺参数。 y(t)： 1) 被控变量y(t)：被控过程内要求保持设定数值的工艺参数。 操纵变量q(t) 受控制器操纵，用以克服扰动量的影响， q(t)： 2) 操纵变量q(t)：受控制器操纵，用以克服扰动量的影响，使 被控变量保持设定值的物料量或能量。 被控变量保持设定值的物料量或能量。 扰动量f(t) :除控制参数外 除控制参数外， 3) 扰动量f(t) :除控制参数外，作用于被控过程并引起被控变 量变化的各种因素。 量变化的各种因素。 给定值r(t) 被控变量的设定值。 r(t)： 4) 给定值r(t)：被控变量的设定值。 测量值z(t) 被控变量经测量变送环节实际测量的值。 z(t)： 5) 测量值z(t)：被控变量经测量变送环节实际测量的值。 偏差e(f) 被控变量的设定值与当前实际值之差。 e(f)： 6) 偏差e(f)：被控变量的设定值与当前实际值之差。 控制信号u(t) 控制器的输出量。 u(t)： 7) 控制信号u(t)：控制器的输出量。
过程控制系统及仪表课后习题答案解析[完整版]
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WORD文档可编辑第1章思考题与习题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：参照图1—1。
1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类？解答：分类方法说明：按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等;按其动作规律来分，有比例(P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分(PID)控制系统等;按控制系统组成回路的情况来分,有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。
通常分类:1．按设定值的形式不同划分:（1）定值控制系统（2）随动控制系统(3）程序控制系统2．按系统的结构特点分类:（1）反馈控制系统（2）前馈控制系统（3）前馈—反馈复合控制系统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？二者之间有什么关系？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。
被控对象的动态特性：。
系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。
二者之间的关系：1-7 试说明定值控制系统稳态与动态的含义。
过程控制知识点
第一章过程控制定义：用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制称为过程控制。
过程控制特点：连续生产自动控制过程控制系统由过程检测控制仪表组成被近期过程是多种多样的、非电量的过程控制的控制过程多属慢过程而且多半参量控制定值控制是过程控制的一种常用形式。
过程控制组成：由测量元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程等环节。
分类：结构特点：反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈控制系统。
定值信号特点：定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统。
第二章2-22利用热电偶温度计测温时为什么要使用补偿导线及其对冷端温度进行补偿？利用热电阻温度计测温时，为什么要采用三线制接法？测量低温时通常为什么采用热电阻温度计，而不采用热电偶温度计？答：（1）由热电偶测温原理可知，只有当它的冷端温度不变时，热电动势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，为了使它的冷端温度恒定，采取补偿导线法为了消除冷端温度变化对测温精度的影响，采用冷端温度补偿（2）在使用热电阻测温时，为了提高精度，采用三线制接法（3）原因有两点：在中低温区热电偶输出的热电势很小对测量仪表放大器和抗干扰要求很高由于冷端温度化不易得到完全补偿在较低温度区内引起的相对误差就很突出2-27 DDF-3型温度变送器具有哪些主要功能？什么是变送器的零点、零点迁移和量程调节?为什么要进行零点迁移和量程调节？3型温度变送器是怎样进行零点迁移和量程调节的？答：1.DDz-3具有热电偶冷端温度补偿，零点调整、零点迁移。
量程调节以及线性化等重要功能。
2零点：输入为零点时输出为4mm的点，零点迁移：即把测量起始点由零迁移到某一正值或负值。
量程调节：相当于改变变送器的输入输出特性的斜率3零点迁移的目的是使其输出信号的下限Ymin与测量范围的下限值Xmin相对应。
零点迁移之后，其量程不变，即斜率不变，却可提高灵敏度。
量程调节的目的是变送器的输出信号的上限值Ymax与测量范围的上限值相对应4调零点调量程方法：RP1为调零电位器。
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：
第一章控制过程的动态特性
第一章控制过程的动态特性控制是指通过监测和评估实际执行情况与预期目标的差距，采取相应的纠正措施来实现预期目标的过程。
在实际应用中，控制过程具有动态特性，即控制过程中的各个环节都存在着不断变化和演化的情况。
下面将从控制目标的确定、信息收集与分析、决策制定和行动执行四个方面来探讨控制过程的动态特性。
首先，控制目标的确定是控制过程的起点。
在实际中，控制目标往往会因为外部环境和内部决策者的因素发生变化。
外部环境的变化包括市场需求、竞争格局、法律法规等，而内部因素的变化包括组织的战略调整、资源配置等。
这些变化会导致控制目标的修订和调整，从而使得控制过程发生变化。
其次，信息的收集与分析是控制过程中的关键环节。
信息的收集与分析主要包括收集实际执行情况的数据和评估这些数据与预期目标的差距。
在实际中，信息的收集与分析往往是一个不断进行的过程，因为随着时间推移，新的信息会不断产生。
同时，信息的分析也需要不断修订与更新，以适应变化的环境和需要。
第三，决策制定是控制过程中的核心环节。
在面对实际执行情况与预期目标的差距时，决策者需要制定相应的纠正措施。
在不断变化的环境中，决策制定的时间和准确性都是变化的。
同时，决策制定的过程也会受到决策者的知识和经验的影响，从而决策的质量也会发生变化。
最后，行动执行是控制过程中的落实环节。
在实际中，行动执行往往会受到各种因素的干扰和阻碍。
例如，资源的限制、人员的变动、技术的更新等都会对行动执行产生影响。
因此，在控制过程中，行动执行的动态变化是不可避免的。
过程控制工程(邵裕森东南大学版)前三章要点
第一章1.过程控制系统：是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分等一些过程变量的系统2.控制系统均由测量元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程等环节构成。
如果把测量元件、变送器、调节器、调节阀统称为过程检测控制仪表，则一个简单的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成3.过程控制系统的分类：按被控参数名称，按控制系统完成的功能，按调节器的控制规律，按被控量的多少，按采用常规仪表和计算机按过程控制系统的结构特点来分类：1反馈控制系统：控制系统根据系统被控量的偏差进行工作，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。
反馈控制系统可以是单回路，也可以是多个闭合回路的多回路控制系统。
2前馈控制系统：直接根据扰动量的大小进行工作按系统结构特点分 1）反馈控制系统 2）前馈控制系统 3）前馈—反馈控制系统按给定值信号特点 1）定制控制系统 2）程序控制系统 3）随动控制系统1-5采用DDZ-Ⅲ电动单元组合仪表。
氧气流量测量信号与供氧量给定值比较得其偏差值，经调节器按某种控制规律运算后输出控制信号，控制调节阀5的开度，改变供氧量的大小，达到控制供氧量的目的。
问：什么叫反馈？正/负反馈？反馈在控制系统中的意义？负反馈（negative feedback）：凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相反，对控制部分的活动起制约或纠正作用的，称为负反馈。
正反馈（positive feedback ）：凡反馈信息的作用与控制信息的作用方向相同，对控制部分的活动起增强作用的，称为正反馈前者使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定第二章1被控过程－被控制的生产工艺设备（加热炉、贮罐）2.数学模型－被控过程在各输入量（控制量、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。
非参数模型：曲线表示的。
如阶跃响应曲线等。
参数模型：用数学方程式或函数表示的。
过程控制- 第1章绪论
稳定性：系统具有抑制外部扰动，保持生产过程长期稳 定运行的能力。
过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和自 动化仪表等知识相结合而构成的一门应用科学。
以具体实例来说明过程控制任务的具体实现
1.确定控制目标 ⑴ 在安全运行条件下，保证热油出口温度稳定。
⑵ 在安全运行条件下，保证热油出口温度和烟气 含氧量稳定。
㈡ 按给定值的信号特点分类
1.定值控制系统 x（t）=常数 2.随动控制系统 x（t） =RND（t） （自动跟踪系统）
目的是使所控制的工艺参数准确快速地跟随给定 值变化。 3.程序控制系统 x（t） =f（t） （顺序控制系统）
退火炉温度控制系统的给定值： 按升温、保温与逐次降温等程序自动变化的。
ISE e2 t dt min 0
时间乘误差的平方积分（ITSE）
ITSE te2 t dt min 0
误差绝对值积分（IAE）
IAE
0
e
t
dt
min
时间乘误差绝对值的积分（ITAE）
ITAE
0
t
et
dt
min
工艺管道及工艺流程图
控制流程图符号意义
序号
安装位置
图形符号
备注
周四现场教学分组：
学号 1001～1028 1029～1057 1058～最后
时间 8:30 ～9:00 9:00 ～9:30 9:30 ～10:00
地点：机电楼C129
回路编号
被测变量
工段号
功能
1.字母代号 2.仪表位号的书写规则
控制流程图字母意义
字
第一位字母
后继字母 字
母 被测变量 修饰词 功能 母
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。
第一章过程控制系统基本概念介绍
特点：有较高的控制精度和较好的适应能力，有很强的抗干 扰能力 ；当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对 扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。
2018/10/20 11
闭环控制系统分类
分三类: 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
定值控制系统： 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控 制系统称为定值控制系统。 程序控制系统：设定值也是变化的，但它是一个已知的时 间函数，即根据需要按一定时间程序变化。 随动控制系统：设定值不断变化，且事先是不知道的，并 要求系统的输出（被控变量）随之而变化。 注意它们的区别和联系
2018/10/20 4
2018/10/20
图1-1 锅炉汽包水位控制示意图
5
二、过程控制系统组成
1、控制系统常用术语（教材P4）
①被控过程（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。 ②被控变量：被控过程内要求保持设定值的工艺参数。 ③给定值：工艺参数所要求保持的数值。 ④操纵变量：受控制器操纵，用以克服干扰的影响使被 控变量保持设定值的物料量或能量（流过控制阀介质 的流量）。 ⑤扰动量：除操纵变量外，作用于被控过程并引起被控 变量变化的因素（使被控变量偏离给定值）。 ⑥偏差：测量值与设定值之差。
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§1-1过程控制系统组成和表示形式
一、过程控制系统定义 第一章－1－23分钟.wmv
过程控制：工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产 过程自动控制。 过程控制系统：在工业生产中在没有人直接参与的条件下， 工艺参数能自动按照预定的规律变化的控制系统。实例
过程控制的作用：
1、实现最优技术指标，提高产品质量。 2、提高经济效益 3、提高劳动生产率 4、改善劳动条件 5、保护环境
过程控制知识点
PI: G ( s)
Y ( s) 1 Kp (1 ) 具有消除余差的能力，但存在调节速度慢和不及时的缺点 X ( s) T1S
Y ( s) Kp(1 TD S ) 瞬时响应性好，但对于恒定误差不起作用 X ( s)
kd 】2. 1 kc k0
干扰通道时间常数 Td 越大则干扰被控量影响越小控制质量越好 3.干扰作用在测定被控量环节进入系统， 被控量反应最灵敏，动态偏差最大，干扰作用远离测量环节则干扰对被控量影响最小 控制通道动态特性对控制质量影响： 1.纯滞后时间τ 0 对控制质量的影响：控制通道的纯滞后对控制质量是有害的，纯滞后越大，控制质量越 差，影响控制系统的稳定性。 2.时间常数对控制质量的影响：时间常数大，反应速度慢，需要较长的过度过程时间，控制量下降，但 过程平稳；时间常数小，控制作用强，克服干扰影响快，过渡过程时间缩短，但时间常数过小时，容易 引起过渡过程的多次振荡，被控量难以稳定下来，即系统稳定性受到影响，容易产生调和超调。
过程控制中对象动态特性： （1）被控参数的变化不是振荡的（2）被控参数在干扰发生的开始有滞后和 惯性（3）在阶跃响应曲线的最后阶段被控参数可能达到新的平衡也可能不断变化，不在平衡下来（4） 描写对象动态特性的参数有放大倍数 k、时间常数 T、滞后时间τ 实测时应注意： （1）扰动量应选择恰当，选大了影响生产，选小了可能受干扰信号影响失去作用（ 2） 试验要进行到被控量接近稳定值，或者被控量变化速度达到最大值（3）试验要在额定负荷或平均负荷 下重复进行几次，至少要获得两次基本相同的响应曲线，排除偶然干扰的影响（ 4）扰动要正反方向变 化，分别测量，以检验对象非线性。 （5）注意记录响应曲线起始部分，已获得对象的动态特性参数 矩形脉冲法：利用控制阀加一扰动后，待被测量上升或下降到将要超过生产上允许的最大偏差时，立即 清除扰动，让被控量回到起始值。优点：施加扰动时间短，扰动幅值可达 20%或 30%，测量响应时间 短，被控量变化不会超过生产允许值。 矩形脉冲响应：方法：将脉冲响应曲线转换成阶跃响应曲线： x(t ) x1 (t ) x2 (t )
第一章 控制过程的动态特性(黄德先)
O
t1 t2
t
18
响应曲线法辨识过程模型--阶跃响应法
（2）根据阶跃响应确定具有纯滞后的一阶环节参数---计算法 取自然对数
t1 τ * ln[1 y (t1 )] T ln[1 y* (t )] t2 τ 2 T
联立求解
t2 t1 T ln[1 y* (t1 )] ln[1 y* (t2 )] * * τ t2 ln[1 y (t1 )] t1 ln[1 y (t2 )] ln[1 y* (t1 )] ln[1 y* (t2 )]
α
O
τ
T
t
25
第一篇 简单控制系统
第一章 生产过程的数学模型
1
1.1 被控对象的动态特性
一 基本概念
控制对象的动态特性是控制工程师的主要依据 被控过程离不开物质或能量流动 调节阀是主要执行装置 被控对象一般是慢过程
流入量、流出量与输入量、输出量的区别
纯延迟是被控对象的一个特点
2
二 若干简单被控对象的动态特性
0 t τ y * (t ) 1 e T
y* (t ) y(t ) y()
tτ tτ
y* (t )
1
Байду номын сангаас
选取两个不同的时间点：
t τ 1 * T y (t1 ) 1 e t τ 2 * T y (t2 ) 1 e
y0 (t2 )
切线法：如右图。
T
阶跃响应曲线
响应曲线法辨识过程模型--阶跃响应法
2）根据阶跃响应确定具有纯滞后的一阶环节参数---作图法
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) =
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§1-1 过程控制系统的性能指标
一、单项性能指标 衰减率、超调量、稳态误差、调节时间 二、综合指标——误差积分指标 IE、IAE、ISE、ITAE 小结： 1 单项指标用若干特征参数评价系统优劣； 2 积分指标用误差积分综合评价系统优劣； 3 根据具体生产过程的实际选用不同的指标； 4 通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率。
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
2.ζ=1（临界阻尼） 慢爬行过程； 响应速度比过阻尼快，无超调；
3. 0<ζ<1(欠阻尼） 振荡衰减过程； 选合理的ζ值，可兼顾快速性和 平稳性；
4. ζ=0（无阻尼） 等幅振荡过程，无稳态；
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
jω ω
β
-α
σ
一般地，通过对控制器调节规律和参数选择，可以使 使得控制系统的闭环极点发生改变。在相同的衰减率下，振 荡频率越高则恢复时间越短；而在相同的振荡频率下，衰减 率越大则恢复时间越短。因此振荡频率也在一定程度上可作 为衡量控制快速性的一个指标。
一般 对定值系统衰减率要求为0.75 对随动系统衰减率要求为0.90
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
讨论： （对二阶系统）
r(t)
G0 (s)
s(s
2 n
2 n )
y(t)
jω ω
β
-α
σ
衰减率 阻尼系数
1 y3
y1
衰减指数
衰减比 系统振荡
m tg
水容
CF
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) μ(s)
=
T1T2 s 2
k R2 (T1 T2 )s
1
其中：T1 F1R1 ,T2 F2R2 ,
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
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
μ
k
Qi
h
F
Q2
无自平衡单容对象
G(s) = H(s) = kμ = 1 μ(s) Fs Ts
F T=
kμ
第一篇 简单控制
2. 归纳：
第一章 生产过程动态特性
K
（1）典型自衡对象传递函数表达式
G(s) = K e-τs Ts + 1
τ
T
自衡率ρ = 1 K
响应速度ε = Κ Τ
（2）典型非自衡对象传递函数表达式
G(s) = 1 e-τs Ts
响应速度ε = 1 T
T τ
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
三、工业过程动态特性的特点 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
第一篇 简单控制
R2
Q2
阶跃响应：
有自平衡双容对象
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
（3）带延长管的单容水箱
阶跃响应：
Q0 e-τs Q1
Q0
μ Kμ Q0
纯迟延
H
Q1 _
1 FS
H
Q2
1
Rs
Q1 有迟延自衡单容对象
Q2
传递函数为：
G(s) = H(s) = K e s μ(s) Ts 1
, 其中 为迟延时间
y1 y1 100%
稳态误差:
y
ess=y∞-r
广义对象
调节时间: ts(进入稳态值5%范围内）
振荡频率：ω被调量Βιβλιοθήκη ry1y3
ts
ess y∞
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
单项性能指标
衰减率ψ : 反映了系统稳定性
超调量σ : 反映了动态准确性
稳态误差ess: 反映了静态准确性 调节时间ts : 反映了快速性 振荡频率ω：反映了快速性
n y1 y3
0 0 0
0 1 等幅
0.75 0.9
0.216 0.344
0.221 0.366
12º28¹ 20º6¹
4 衰减
10 衰减
1 ≥1 ∞ 90º ∞ 不振荡
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
不同阻尼比时二阶系统的阶跃响应曲线
1.ζ>1（过阻尼） 慢爬行过程； 调节时间最长，无超调；
回顾
过程控制:是指以温度、压力、流量、液位、成分和物
性等工艺参数作为被控变量的自广动义控被制控。对象
控制系统
（广义过程）
被 调
定值+
控制器
执行器
调节阀
量 对象
-
测量变送器
给定值
控制器
被调量
广义被控对象
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
第一篇 简单控制系统
一个被调量、一个调节量； 一个调节器、一个调节阀。
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
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
稳态
稳态
动态
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
控制要求 安全性 经济性 稳定性
评价指标 稳定性 准确性 快速性
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
单项性能指标
衰给减定率+: ψ= y1控- y制3 器
超调量: σ-=
第一章 生产过程动态特性
（1）单容水箱
k
Qi
物质平衡方程：
dH 1 dt F (Qi Q o )
其中Qi k ， Q o k H
H
在工作点线性化处理：
F
阶跃响应：
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