过程控制系统第二章
东北大学过程控制系统第二章2 过程控制的数学模型-曲线响应
3.由阶跃响应曲线确定过程的数学模型
3.4 二阶加时延过程参数的确定
数学模型：
TC
x
(1 x)x1x
(1)
TA
T1 T2 TC
(2)
(2)
(1)
3.由阶跃响应曲线确定过程的数学模型
利用公式（1)计算T1和T2较为复杂，绘制曲线利用图解法求取T1和T2。 根据公式（1）绘制曲线见右图。
第二章 过程控制的数学模型
2.3 响应曲线辨识过程的数学模型
1. 阶跃响应曲线的测定
利用响应曲线辨识建立数学模型是一种常用的方法。 1.1 阶跃响应曲线的测定 过程：使输入量作一阶跃变化，记录输出量随时间变化的
响应曲线。即阶跃响应曲线。
输入信号：
响应曲线：
1. 阶跃响应曲线的测定
试验时必须注意： (1) 试验测定时，被控过程处于相对稳定的工作状态。 (2) 输入的阶跃信号不可太大，也不可太小。太大，影响生产；
1 0.46
20 33.5
3 1.7
25 27.2
4
5
3.7
9
30 40
21 10.4
8 10 19 26.4 50 60 5.1 2.8
15 16.5 36 371..55 70 80 1.1 0.5
第二题：
设阶跃扰动量△u=20%，某水槽的水位阶跃 响应数据见下表，用一阶惯性环节求取该液位的 传递函数。
欠佳，就难以获得对象的动态特性参数。
2. 矩形脉冲响应曲线的测定
阶跃响应法缺陷： 过程长时间的处于较大幅值的阶跃信号
作用下，被控量变化的幅度可能会超出生 产工艺允许的范围。
用矩形脉冲作为输入信号，将响应曲线 转化为阶跃响应曲线，确定数学模型。 脉冲信号看作：
过程控制系统第2章 思考题与习题
第2章 思考题与习题1．基本练习题（1）简述过程参数检测在过程控制中的重要意义以及传感器的基本构成。
答：1）过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、成分等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量的生产安全，并使生产过程按最优化目标进行。
要想对过程参数实行有效的控制，首先要对他们进行有效的检测，而如何实现有效的检测，则是有检测仪表来完成。
检测仪表是过程控制系统的重要组成部分，系统的控制精度首先取决与检测仪表的精度。
检测仪表的基本特性和各项性能指标又是衡量检测精度的基本要素。
2）传感器的基本构成：通常是由敏感元件、转换元件、电源及信号调理/转换电路组成。
（2）真值是如何定义的？误差有哪些表现形式？各自的意义是什么？仪表的精度与哪种误差直接有关？答：1）真值指被测物理量的真实（或客观）取值。
2）误差的各表现形式和意义为：最大绝对误差：绝对误差是指仪表的实测示值x 与真值a x 的差值，记为Δ，如式（2-1）所示：a Δx x =- （2-1）相对误差：相对误差一般用百分数给出，记为δ，如式（2-2）所示：aΔδ100%x =⨯（2-2） 引用误差：引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法。
它是相对仪表满量程的一种误差，一般也用百分数表示，记为γ，如式（2-3）所示：max minΔγ100%x x =⨯- （2-3）式中，maxx 仪表测量范围的上限值；minx 仪表测量范围的下限值。
基本误差：基本误差是指仪表在国家规定的标准条件下使用时所出现的误差。
附加误差 附加误差是指仪表的使用条件偏离了规定的标准条件所出现的误差。
3) 仪表的精度与最大引用误差直接有关。
（3）某台测温仪表测量的上下限为500℃~1000℃，它的最大绝对误差为±2℃，试确定该仪表的精度等级；答：根据题意可知：最大绝对误差为±2℃则精度等级%4.0%1005002±=⨯±=δ所以仪表精度等级为0.4级（4）某台测温仪表测量的上下限为100℃~1000℃，工艺要求该仪表指示值的误差不得超过±2℃，应选精度等级为多少的仪表才能满足工艺要求？答：由题可得：仪表精度等级至少为0.001级。
过程控制系统 第2章
图 2-3 无自衡的非振荡过程
具有无自衡的非振荡过程的特性可用式（2-11）、式（2-12）的 传递函数描述： 具有时滞的积分环节： K （2-11） G ( s ) = e − sτ
s
具有时滞的一阶和积分串联环节：
K G(s) = e − sτ (Ts + 1) s
（2-12）
衰减振荡过程
该类过程具有自衡能力， 在阶跃输入信号作用下， 输出响应呈现衰减振荡 特性，最终过程会趋于 新的稳态值。图2-4是这 类过程的阶跃响应。工 业生产过程中这类过程 不多见。
2.1.3 机理与经验的组合建模
(1)主体上是按照机理方程建模，但对其中的部分参数 通过实测得到。例如，换热器的K值可通过现场操作 数据计算求出；精馏塔的情况，塔板效率可先作假定， 用以计算出各塔板的温度分布，再与温度的实测值核 对，如有不符，则对塔板效率的假定值作相应的修正。 (2)通过机理分析，把自变量适当组合，得出数学模型 的函数形式。这样确定模型结构，估计参数就比较容 易了，并使自变量数减少。 (3)由机理出发，通过计算或仿真，得到大量的输入 输出数据，再用回归方法得出简化模型。
表2-1 动态数学模型的应用和要求
精确度要求 （在输入输出特性方 面） 低 中等 中等
应用目的 控制器参数整定
过程模型类型 线性，参量（或非参 量），时间连续
前馈，解耦，预估控制 线性，参量（或非参 系统设计 量），时间连续 控制系统的计算机辅助 线性，参量（或非参 设计 量），时间离散 自适应控制 模式控制，最优控制
（1）线性时间连续模型可写成微分方程或传递函 数形式 any(n)(t)+ ……+a1y1(t)+y(t)=bmu(m) (tτ)+ ……+b1u，(t-τ)+b0u(t-τ) （2-5） 或 （2-6） 式中y—输出变量 u—输入变量 τ—纯滞后(时滞)
过程控制系统2
过程演示
2、参量关系分析
dh q1 − q 2 = A dt .......... .......... .( 2 − 5 ) ∆ q − ∆ q = A d ∆ h .....( 2 − 6 ) 2 1 dt
讨论：(1)、静态时，q1=q2=dh/dt=0 ; 讨论：(1)、静态时， (2)、 变化时→ 变化→ 变化。 (2)、当q1变化时→h变化→ q2变化。 q2 在工作点，经线性化处理， 在工作点，经线性化处理，有
4、三容过程的数学模型 由图2 应用自控理论即可获得其模型。 由图2-6，应用自控理论即可获得其模型。
二、无自衡过程的数学模型 自衡过程的数学模型
无自衡过程的概念：如下图。 无自衡过程的概念：如下图。
(一)、单容过程的数学模型
1、参量关系分析 在自衡过程下， 在自衡过程下，有
∆q
1
− ∆q
2
d∆h = C dt
k =1
d 2 y (t ) 由拐点处 =0 2 dt
2-15
将矩形脉冲看成正负两个等幅的阶 转换的思路是： 转换的思路是： 跃信号，据此而得到输出的阶跃响应 响应。 跃信号，据此而得到输出的阶跃响应。即 x(t)=x1 (t)+ x2(t) (t)- (t=x1 (t)- x1(t-a) 则 或 y*(t)=y(t)-y(t-a) (t)=y(t)-y(t(t)＋y(ty(t)= y*(t)＋y(t-a) (2(2-21) (见图2 11上 (见图2-11上) 见图 (2(2-20)
Qi
Qi Qo A
图2-8
而在无自衡过程( =0， 而在无自衡过程(图2-8)下，因△Qo=0，故 8)下
dh A = Qi − Q0 dt
过程控制系统 (2)
图7-1 定值控制系统阶跃响应过渡过程曲线
7.2 过程参数的检测与变送
在化工生产过程中，为了有效地进行生产操作和自动控制， 需要对工艺生产中的压力、流量、液位、温度等参数进行 测量。用来测量这些参数的仪表称为检测仪表，经常与变 送器配合使用。
将上述数据代入，得
EK (800,30) EK (800,0) EK (30,0) 32.074mV
例7-2 今用一只S型热电偶测温，已知冷端温度 t0 30C 测得热电势 Es (t,t0) 14.195mV
t 求被测介质的实际温度
解 由相应的分度表可知：
Es (30,0) 0.173mV
7.1.4 过程控制系统的性能指标
控制性能良好的过程控制系统，在受到外来干扰作用或者 给定值发生变化后，应能够平稳、迅速、准确地回到给定 值上。
在衡量一个控制方案时，必须给出相应的性能指标。 控制性能指标是根据生产工艺过程的实际需要确定的，过
渡过程是衡量控制系统性能指标的依据，一般采用定值控 制系统阶跃响应过渡过程曲线来讨论控制系统的性能指标。
数据代入变换，得
Es (t,0) Es (t,30) Es (30,0) 14.195 0.173 14.368(mV )
再由附录可以查得l4.368mV对应的温度t为1400℃。
工业常用的热电偶有铂铑 10
铂热电偶，分度号为S；镍铬一镍硅热电偶，分度号为K；镍铬一康铜热电 偶，分度号为E，选用时根据要求而定。
(3)利用热阻效应测温，它利用导体或半导体的电阻随温 度变化的性质制成。
(4)利用热辐射原理测温，利用物体辐射能随温度变化而 变化的性质制成，属于非接触式温度计.
过程控制系统与仪表习题答案 第二章
第2章 思考题与习题2-1 某一标尺为0～1000℃的温度计出厂前经校验得到如下数据： 标准表读数/℃ 0 200 400 600 800 1000 被校表读数/℃2014026048061001求：1）该表最大绝对误差；2）该表精度；3）如果工艺允许最大测量误差为±5℃，该表是否能用？2-2 一台压力表量程为0～10MPa ，经校验有以下测量结果： 标准表读数/MPa 0 2 4 6 8 10 被校表读数/MPa正行程 0 1.98 3.96 5.94 7.97 9.99 反行程2.024.036.068.0310.01求：1）变差；2）基本误差；3）该表是否符合1.0级精度？2-3 某压力表的测量范围为0～10MPa ，精度等级为1.0级。
试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为5MPa 时，标准压力计上读数为5.08MPa ，试问被校压力表在这一点上是否符合1级精度，为什么？解答： 1）基本误差δ=100%⨯最大绝对误差∆max ＝0.01×10＝0.1MPa 2）校验点为5 MPa 时的基本误差：%8.0%10010508.5=⨯-=δ0.8％<1％ ，所以符合1.0级表。
2-4 为什么测量仪表的测量范围要根据被测量大小来选取？选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有什么问题？解答： 1） 2）2-5 有两块直流电流表，它们的精度和量程分别为1) 1.0级，0～250mA 2）2.5级，0～75mA现要测量50mA 的直流电流，从准确性、经济性考虑哪块表更合适？ 解答：分析它们的最大误差：1）∆max ＝250×1％＝2.5mA ；%5%100505.2±=⨯±=δ2）∆max ＝75×2.5％＝1.875mA ；%75.3%10050875.1±=⨯±=δ选择2.5级，0～75mA 的表。
(完整版)过程控制系统与仪表习题答案第二章
第2章 思考题与习题2-1 某一标尺为0～1000℃的温度计出厂前经校验得到如下数据： 标准表读数/℃ 0 200 400 600 800 1000 被校表读数/℃20140260480610012）该表精度；3）如果工艺允许最大测量误差为±5℃，该表是否能用？2-2 一台压力表量程为0～10MPa ，经校验有以下测量结果： 标准表读数/MPa 0 2 4 6 8 10 被校表读数/MPa正行程 0 1.98 3.96 5.94 7.97 9.99 反行程2.024.036.068.0310.012）基本误差；3）该表是否符合1.0级精度？2-3 某压力表的测量范围为0～10MPa ，精度等级为1.0级。
试问此压力表允许的最大绝对误差是多少？若用标准压力计来校验该压力表，在校验点为5MPa 时，标准压力计上读数为5.08MPa ，试问被校压力表在这一点上是否符合1级精度，为什么？解答： 1）基本误差δ=100%⨯最大绝对误差∆max ＝0.01×10＝0.1MPa 2）校验点为5 MPa 时的基本误差：%8.0%10010508.5=⨯-=δ 0.8％<1％ ，所以符合1.0级表。
2-4 为什么测量仪表的测量范围要根据被测量大小来选取？选一台量程很大的仪表来测量很小的参数值有什么问题？解答： 1） 2）2-5 有两块直流电流表，它们的精度和量程分别为1) 1.0级，0～250mA 2）2.5级，0～75mA现要测量50mA 的直流电流，从准确性、经济性考虑哪块表更合适？ 解答：分析它们的最大误差：1）∆max ＝250×1％＝2.5mA ；%5%100505.2±=⨯±=δ 2）∆max ＝75×2.5％＝1.875mA ；%75.3%10050875.1±=⨯±=δ 选择2.5级，0～75mA 的表。
2-11 某DDZ-Ⅲ型温度变送器输入量程为200～1000℃，输出为4～20mA 。
过程控制系统实验指导书02
《过程控制系统》实验指导书目录第一章实验装置说明 (1)第二章实验要求及安全操作规程 (4)实验一单容自衡水箱液位特性测试 (5)实验二双容水箱特性的测试 (9)实验三单容水箱液位定值控制系统 (12)实验四单闭环流量定值控制系统 (15)实验五锅炉内胆水温定值控制系统 (17)实验六锅炉内胆水温位式控制系统 (19)第一章实验装置说明实验对象总貌图如图1-1所示：图1-1 实验对象总貌图本实验装置对象主要由水箱、锅炉和盘管三大部分组成。
供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成。
一、被控对象由不锈钢储水箱、（上、中、下）三个串接有机玻璃水箱、4.5KW三相电加热模拟锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式锅炉夹套构成)、盘管和敷塑不锈钢管道等组成。
1．水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。
上、中、下水箱采用淡蓝色优质有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。
上、中水箱尺寸均为：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。
水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。
水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。
上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶单回路液位控制系统和双闭环、三闭环液位串级控制系统。
储水箱由不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝，完全能满足上、中、下水箱的实验供水需要。
储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，以防杂物进入水泵和管道。
2．模拟锅炉：是利用电加热管加热的常压锅炉，包括加热层（锅炉内胆）和冷却层（锅炉夹套），均由不锈钢精制而成，可利用它进行温度实验。
过程控制系统总复习ppt课件
• 纯延迟产生的原因
• 自平衡和非自平衡的定义：无自平衡能力的单容对象的响 应曲线是一个积分环节。
• 测试法建模：时域法。 • 选择模型结构：一阶惯性加纯延迟/二阶惯性加纯延迟；
并掌握作图法确定一阶惯性加纯延迟结构的数学模型。除 作图法外，还有两点法求数学模型的参数。
第七章 补偿控制
• 内容及范围
• 补偿控制系统的分类：4种，基本结构。
• 前馈控制：前馈控制与反馈控制的比较（区别、有缺点）； 根据不变性原理，实现完全补偿的前馈控制器传递函数的 求导。4种前馈控制系统结构，以及前馈控制七的传递函 数如何求得。
• Smith预估器：掌握Smith预估器的结构，能根据被控过程 传递函数，构造Smtih预估器。各种改进型Smith预估器实 现完全抗干扰的传递函数求解。
第四章 PID调节原理
• 内容及范围： 1. P、I、D的调节原理，各自特点；P（有差）；I（无差
但会积分饱和，能抗积分饱和电路的工作过程）； 2. PID控制器的正反作用（PPT），结合第三章内容一起复
习 3. PID控制规律选择的原则 4. PID工程调整的方法：
第五章 串级控制
• 内容及范围 • 串级控制组成、特点（两个控制器，一个执行器）以及基
• 大林算法：设计思想；振铃现象的判断。
史密斯补偿 原理分析
• Y(s)与U(s)之间的传递函数 Gp (s)e s
• 采用Smith预估器，反馈信号Y’(s)与U(s)的传函
Gp (s)es Gp '(s) Gp (s)
• 所以Gp’(s)传函为： Gp’(s)= Gp(s)（1-e-ts)
第2章-过程控制系统基本概念解析
2.2 过程控制系统的特点
（3）被控过程的复杂性和多样性 过程控制系统在复杂性和多样性上要明显高 于其他控制系统。但各种过程控制系统的共性是 动态特性多为大惯性、大滞后形式，且具有非线 性、分布参数和时变特性。
智能建筑环境检测与控制技术
2.2 过程控制系统的特点
（4）过程控制方案十分丰富 被控过程对象特性各异，工艺条件及要求不 同，针对这些不同设计的过程控制系统的控制方 案也各异，因此决定了系统的控制方案非常丰富。 为了满足生产过程中越来越高的要求，未来的控 制方案会越来越丰富。
2.4.1 按系统的结构特点分类
（2）前馈控制系统 前馈控制系统是依据扰动量进行工作的，其 理论基础是不变性原理。由于系统中无被控量的 反馈，因此也称其为开环系统。
测量仪表
f (t)
前馈调节器
调节阀
被控对象
y(t)
智能建筑环境检测与控制技术
2.4.1 按系统的结构特点分类
（3）前馈–反馈控制系统 将前馈控制系统和反馈控制系统结合在一起， 就构成了前馈–反馈控制系统，也称复合控制系 统，这种系统可以取得更好的控制效果。
2.4 过程控制系统的分类
过程控制系统有多种分类方法，每一种分类 方法都只是反映了过程控制系统某一方面的特点， 人们可以从不同的角度出发采用不同的分类方法。 但是，在实际生产中经常采用的分类方法主要有 两种，即按系统的结构特点分类和按给定信号的 特点来分类。
智能建筑环境检测与控制技术
2.4.1 按系统的结构特点分类
智能建筑环境检测与控制技术
2.4.2 按给定信号的特点分类
（2）随动控制系统 有一类生产过程，输入信号是随时间变化的， 其规律事先未知，要求输出量能够迅速、准确地 跟随给定量的变化而变化，此类系统为随动系统。 随动系统在火炮控制系统、雷达引导系统、加热 炉燃料与空气的混合比控制等国防和工业生产中 得到了广泛的应用。
过程控制(第二版)第二章
其矩形脉冲响应曲线
y*( t )=y1 ( t ) – y1 ( t – a ) y1( t )=y* ( t ) – y1 ( t – a ) 可以用分段作图法求取阶跃响应曲线。 t = 0 ~ a， y1(a )=y* ( a ) + y1(0 )
一、检测仪表的基本概念
（一）测量误差：测量结果与被测变量真值之
差
误差产生的原因：选用的仪表精确度有限，实验 手段不够完善、环境中存在各种干扰因素，以及 检测技术水平的限制等原因.
1、绝对误差
绝对误差指仪表指示值与被测参数真值 之间的差值，即
x x x0
思考
χ——仪表指示值 χ0——被测量的真值
A
B
0-100℃
0-1000℃
x 1℃
2、相对误差
实际相对误差：绝对误差与被测变量的真
值之比的百分数
引用相对误差（相对百分误差）：
x x0 100% 100% x上 x下 仪表量程
最大引用相对误差：
max
max x上 x下 100%
28
25 t/min
120
0 2
6
本节重点
掌握过程数学模型的特点； 掌握常用机理建模方法； 掌握二阶以下的阶跃响应曲线建模方法；
第二节 过程变量检测及变送
过程变量检测主要是指连续生产过程中的温度、 压力、流量、液位、和成分等参数的测量 过程变量的准确测量可以及时了解工艺设备的 运行工况；为操作人员提供操作依据；为自动 化装臵提供测量信号。 仪表组成： 传感器—直接感受被测变量，并将它变换成适于 测量的信号形式。（一次仪表） 中间环节—将传感器检测信号加以转换和传送； 显示器---将转换的物理量用仪表加以显示就地 指示型仪表、单元组合型仪表、数字式显示仪 表 。（二次仪表）
过程控制-习题与答案
第1章绪论思考题与习题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：控制器，被控对象，执行机构，检测变送装置。
1-3简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义？解答：被控对象自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。
被控变量被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。
操纵变量受控制器操纵的，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。
扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。
设定值被控变量的预定值。
偏差被控变量的设定值与实际值之差。
1-4按照设定值的不同形式, 过程控制系统可分为哪几类？解答：按照设定值的不同形式又可分为:1．定值控制系统定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言.2.随动控制系统随动控制系统的设定值是不断变化的.随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化3.程序控制系统程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。
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？为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义？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。
过程控制系统 复习讲义
第四章 PID调节原理
3、炉出口温度调节，当适当引入微分作用 后，有人说比例度可以比无微分时小些， 积分时间也可短些，对吗？为什么？
答案：这样说是对的。因为微分作用是超 前的调节作用，其实质是阻止被调参数 的变化，提高系统的稳定性，适当的减 小比例度和积分时间有利于提高系统的 质量。
9
第五章 串级控制系统
1、有一台PI调节器，δ=100%，Ti=1分，若将P改为200%时，： 1、调节系统稳定程度提高还是降低？为什么？ 2、动差增大还是减小？为什么？ 3、静差能不能消除？为什么？ 4、调节时间加长还是缩短？为什么？
答案：
∵ΔU=Kp*e+Kp/Ti∫edt
其中：ΔU—输出变化量，e—输入变化量，Kp—比例常数，
1. 掌握串级控制系统的结构形式 2. 5.3、5.7、5.8
10
第六章 特殊控制系统
1. 比值控制系统的定义、工艺比值与比值系数的含义有什 么不同？比值系数的计算与什么有关？（并说明二者之 间的关系。 ）
2. 比值控制系统的结构形式，各有什么特点？ 3. 均匀控制系统的概念。 4. 分程控制系统的概念、应用于哪些场合？信号分程如何
即Kp减小时，调节器灵敏度降低，则克服动、静差的时间加
长）。
7
第四章 PID调节原理
2. 一般常规调节系统在负荷变动或变动较大时， 为什么调节质量会变坏？如何解决？
答案：一般常规调节系统中的调节参数只能人工 调节，在工艺正常运行是调整好的 PID参数， 只能保证在这种状态下的调节质量，而调节对 象特性都为非线性的，在负荷工况变动较大时， 对象特性将发生变化，因此原来的调节器参数 就不再适应，这时要根据具体情况重新整定调 节器参数才有可能使调节质量变好。
过程控制系统
分析可知，以风量作控制参数为最佳选择。
§2-3 执 行 器 选 择
0、概述
1. 作用
•在自动控制系统中，接受调节器的指令；
•经执行机构将其转换为相应的角位移或直线位移；
•去操纵调节机构，改变被控对象进、出的能量或
物料。
2.
组成
执 行 机 构 调 节 机 构
3. 类型
薄 膜 机 构 － － 应 用 最 广
快开特性：适于要求快速开、闭的控制系统。
抛物线特性：介于直线特性与对数特性之间，弥补了直线特 性小开度时控制性能差的缺点。
三、控制阀作用方式的选择
(一)、气开气关方式的选择
• 选气开还是气关式，由生产工艺的要求决定。 1、从生产的安全出发 2、从保证产品质量考虑 3、从降低原料和动力的损耗考虑 4、从介质特点考
过程控制系统
第一章 绪论 第二章 单回路控制系统 第三章 串级控制系统
第一章 绪论
1、过程控制的概念
凡是采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通称为过程控制。
2、过程控制的特点
过程控制的目的：保持过程中的有关参数为一定值或按 一定规律变化。
过程控制的特点：
1、被空对象的多样性 2、普遍存在滞后 3、特性往往具有非线性
一般希望控制通道克服扰动的应使扰动作用点位置远离被控 量能力要强，动态响应应比扰动通道快,要突出干扰作用,应使扰 动作用点位置远离被控量。
(三).实例讨论
例1：喷雾式乳粉干 燥设备的控制 。
1.控制要求：干燥后的 产品含水量波动要小。
2.被控参数选择：干 燥器里的温度
3.控制参数的选择 (三种方案如图所示)
8、调节器输出：根据偏差值、经一定算法得到的输出值。
东北大学过程控制系统第二章1 被控过程的数学模型-单容多容
F ( s ) L[ f (t )] f (t )e st dt 0
（a）无时延的阶跃响应
（b）有时延阶跃响应
2.2 物理机理方法建模
例2 右图为由电炉和加热容器组成的温度过程。 容器内水温T1保持恒定，为被控参数，即输出量。电炉
连续给水供热Q1为输入量（控制参数）。盛水容器向室内散 发热量Q2，室温为T2，试建立温度过程的数学模型。 解：根据能量动态平衡关系：
（1）
传递函数列写大致步骤： 方法一：列写系统的微分方程； 消去中间变量； 在零初始条件下取拉氏变换； 求输出与输入拉氏变换之比。
方法二：列写系统中各元件的微分方程； 在零初始条件下求拉氏变换； 整理拉氏变换后的方程组，消去中间变量； 整理成传递函数的形式。
2.1 概述
(c) 频率特性 频域模型主要描述系统的频率特性。
l
Q0
l
Q1
Q0
Q1
Q1
0th来自h h2Q2
解：根据动态物料平衡，有
Q2 0, 增量微分方程
传递函数：
0
t
Q2
图5 无自衡过程及其响应曲线
（有时延）
2.2 物理机理方法建模
(2) 多容过程的建模
多容过程：过程控制中由多个容积和阻力件构成。
例4 ：
图7为有自衡能力双容过程及阶跃响应曲线。
以h2为被控参数， Q1为控制参数。
如果过程为n个容积相接，多容过程的模型为
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
(1)放大系数 K
对象输出量变化的稳态值与输入
0
t 量变化值之比, 叫对象的放大系数,
可表为: K h() / x , 左式表明放大系数 K与被控
量的变化过程并无直接关系, 仅与被控量的变化终点和 起点相关, 放大系数是对象的静态特性参数.
有时, 对象的输入与输出不一定是同一个物理量, 其量纲也不尽相同, 如输入与输出均以变化值的百分数 表示, 则放大系数是个无量纲的比值.
对式(5)两边在零初始条件进行拉氏变换, 得对象的
传递函数为:
H (s) K
(6)
X (s) Ts 1
当控制阀开度的增量为幅值为 x的阶跃信号时, 对象
阶跃响应的时域函数为:
h Kx(1 et/T ) (7)
其时间响应曲线见下图, 对象的特性与放大系数 K 和
h(t) h()
时间常数 T的关系可作如下分析,
2-2 有自平衡能力对象的动态特性
对象受到干扰作用, 其原来的平衡状态被破坏后, 无 须外加任何控制作用, 依靠对象本身自动平衡的倾向, 逐 渐地达到新的平衡状态的性质, 叫自平衡能力.
过程控制对象有无自平衡能力, 取决于对象本身的结 构和生产过程的特性. 凡是受到干扰后, 不依靠外加控制 作用就能重新达到平衡状态的对象, 都具有自平衡能力,
i
o
Adh /
dt
(1)
i kxx
(2)
o 2 h0 / R
(4)
将式(2)和式(4)代入式(1)得:
dh RA dt h kx Rx
RC dh h Kx dt
T dh h Kx
(5)
dt
式(5)中T RC, 对象的时间常数; C叫液容, 也叫容量
系数; K是对象的放大系数, K kx R
第二章 过程控制对象的动态特性
2-1 概述
过程控制系统是根据被控对象的特性, 选配合适的过 程控制仪表所组成. 不同的对象具有不同的特性, 对它实 施的控制方案与选用的控制仪表就有所不同. 因此在确定 方案和选用仪表前, 先得对被控对象的特性要有充分的认 识. 而已设计装配好的系统, 由于现场使用时的复杂情况 也必须了解对象的动态特性, 才能有效地整定好系统的参 数, 获得满意的控制效果.
减小), 直至液体溢出
o (或流干)为止.
其动态特性可简单表示为:
Adh(t) / dt i kxx
dh(t) / dt kxx / A x x / Ta (13)
当 x为阶跃函数时, 式(13)的解为:
h(t) xt xt (14)
Ta
其阶跃响应曲线见下图, 式(14)中, tan / x
静态放大系数K的确定: K y() y(0)/ x
上式中 x是输入阶跃信号的幅值.
时间常数T的确定: (1)切线法, 见上图.
(2)速度法, 见上图.
(二)具有纯滞后一阶对象的传递函数
若测得对象的阶跃响应曲线为下图所示, 则可断定对象为
y(t)
y()
具有纯滞后有自平衡能力的单容对象, 其传递函数可表为:
Ke 0S
W (s)
(2)
0 0
t
Ts 1
若测得对象的阶跃响应曲线为下图所示, 则此对象为具
y (t )
有纯滞后及有自平衡能力是毫
y()
无疑问的, 且是双容或是多容 的对象, 但问题是从S形状的
曲线如何判断对象是几容的及
0 0
t 其传递函数中的参数怎
么确定? 在工程上如对对象数学模型的正确性要求不高
(12)
(Ts 1)n
由以上分析可见, 串联集中容积和阻力对象的特点是受到
扰动后, 被控量的变化速度, 开始较缓慢, 经过一段时间
后响应速度才能达到最大, 这段延迟时间主要是对象的容
量所造成的, 称为容量滞后, 用 c 表示. 这是多容对象
的主要特征. 构成对象的容积越多,容量滞后越大.
2-3 无自平衡能力对象的动态特性
(16)
二﹑双容对象的动态特性 将以两个有自衡单容对象串联构成的双容对象的水 箱液位对象中的第二个水箱的负载阀改为定量泵既可得
无自衡能力的双容对象, 如下图所示, 控制阀
x x L
1 1
h1 h1
负载阀
A1
R1
2 2
h2 h2
定量泵
其动态特性方程为:
A2
3 3
R1 A1
d 2h2 (t) dt 2
dh2 (t) dt
kx A2
x(t
0)
T
d 2h2 (t) dt 2
dh2 (t) dt
1 Ta
x(t
0)
(17)
上式中: T R1 A1 R1C1为第一个单容有自衡能力的水箱的
时间常数.
Ta A2 / kx为第二个单容无自衡能力的水箱的积分
时间常数.
0 为纯滞后时间.
式(17)的传递函数为:
一﹑阶跃扰动法测定对象的响应曲线
具体内容可见教材P.21. 二﹑由阶跃响应曲线求对象的传递函数
(一)无滞后一阶对象的传递函数
若测得对象的阶跃响应曲线为下图所示, 则可断定
y(t)
y()
对象为无滞后有自平衡能力的单容对象, 其传递函数可表为:
y() 63.2 00
W (s) K
(1)
0T
t
Ts 1
双容对象的传递函数为:
W (s) H2(s)
Ke 0s
X (s) T1T2s2 (T1 T2 )s 1
Ke 0T2s 1)
当阀门开度的变化量为幅值为x的阶跃函数时, h2
的响应曲线如下图所示, 在工程实际中, 有时往往将双容
h2 (t) h2
TA
对象近似成单容对象处理,
则可采用下面两种方法将具有上图阶跃响应曲线对象的
A2
负载阀
R2 3 3
将上面五式联立消去中间变量 1, 2 , 3, h1, 得:
T1T2
d 2h2 dt 2
(T1
T2
)
dh2 dt
h2
Kx(t
0)
(9)
上式中: T1 R1 A1 R1C1 , 为第一容积的时间常数.
T2 R2 A2 R2C2 , 为第二容积的时间常数.
K kx R2 , 对象的放大系数.
Tas(T1s 1)(T2s 1) (Tn s 1 1)
无自衡能力等容对象, 其传递函数为:
W (s)
Ke 0 s
Tas(Ts 1)n1
(21)
(20)
2-4 时域法辨识对象的动态特性
工业生产过程的控制对象, 一般均较复杂, 有时往往 无法根据对象的作用机理从理论得出正确的数学模型, 如 果忽略某些次要因素, 得到简化后的对象特性方程, 与实 际模型又相去甚远. 因此在工程中, 往往用实验的方法获 取被控对象的特性方程. 实验的方法的基本思路是: 在不 同对象中进行的物理或化学过程虽然相当复杂, 但仍可由 数理分析的方法, 归纳成几种典型的微分方程或传递函数 一般均可用一阶﹑二阶或三阶微分方程或传递函数来表示 因此, 给对象输入一个信号, 并测出对象的响应曲线, 与 归纳的几种典型的微分方程或传递函数所对应的对象的响 应曲线进行比较, 以确定被辨识对象属于哪一类传递函数 , 并由响应曲线求出传递函数中的各个参数.
h(t)
0
叫响应速度, 而 tan x / Ta
Ta A / kx , 叫积分时间常数, 又叫响 应时间, 其中 A为水箱的横截面积.
t 无纯滞后单容对象的传递函数为:
W (s) H (s) 1 (15) 有纯滞后单容对象的传递
X (s) Tas
函数为: W (s)
H (s) X (s)
e 0s Ta s
上图所示水箱内的液位过程即代表单容对象, 下面推导此对
象的动态方程.
i o dV / dt Adh / dt (1)
式(1)中: i , o 为流入量与流出量的微变量;
dV为水箱内的液体体积的微变量; A 为水箱横截面面积; dh为水箱内液位的微变量.
设采用的控制阀为线性阀, 则流入量的变化与控制阀的
被控对象是指生产设备中进行的那些与温度﹑压力﹑ 流量﹑液位﹑物料成分与配比等相关的工艺过程, 所谓对 象特性就是这些过程的变化规律.
对象的动态特性主要取决于生产过程本身的物理化学
特性, 并与生产设备的结构和运行状态有关. 原则上可用 数理方法, 根据过程的质量或能量平衡及过程进行中的物 理和化学变化, 经推演和简化而得到描述对象的动态特性 的微分方程. 但由于生产过程大多相当复杂, 要获得准确 的数学表达式十分困难, 既使得到也难于求解, 或因过于 简化而严重失真. 因此采用实验方法测取对象的响应曲线 是分析研究对象动态特性的常用方法.
多容对象的动态特性, 以两个单容对象串联构成的 双容对象较典型, 如下屏所示:
控制阀
设 0 L / v为纯滞后时间常数.
x x L
1 1 由图可得:
2 3 A2dh2 / dt
h1 h1
负载阀
3 h2 / R2
A1
R1
2 2 2 h1 / R1
1
2
A1
dh1 dt
h2 h2
1 kxx(t 0 )
(2)时间常数 T
时间常数是指被控量保持起始速度不变而达到稳定值
所需的时间, 其几何意义可见下图, 也指对象的阶跃响应
h(t)
曲线到达其稳定值的63.2%所需的时间.
h() 无纯滞后单容对象的调节时间约为
3T~4T, 可见时间常数的物理含意是
0
T
c() 63.2 00
t
表征了对象受到输入作用后, 其输出 变化的快慢程度, 由T=RC可知, T值