过程控制第一章动态特性解析

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
§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。
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-=
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
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
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
μ
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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
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
r
y1
y3
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
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
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；
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
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。
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。