[过程控制系统与仪表]第5章被控对象的数学模型

过程控制系统与仪表 第5章 与对象有关的两个基 本概念
1．对象的负荷 当生产过程处于稳定状态时，单位时间内流入或流
出对象的物料或能量称为对象的负荷，也叫生产能力。 如液体贮槽的物料流量，精馏塔的处理量，锅炉的出 汽量等等。负荷变化的性质（大小、快慢和次数）也 常被视作是系统的扰动ｆ。负荷的稳定是有利于自动 控制的，负荷的波动（尤其大的负荷）将对工艺过程 产生很大影响。 2．对象的自衡
Q1
Q1
h
液位系统
t h Q2
t
液位变化曲线
过程控制系统与仪表 第5章
自平衡能力：
过程在输入量作用下，平衡状态被破坏后，无须人或仪器的干扰，依靠过 程自身能力，逐渐恢复达到另一新的平衡状态，此特性称为自平衡能力
无自衡能力
有自衡能力
过程控制系统与仪表 第5章
过程特性的类型
2. 无自衡的非振荡过程
在阶跃信号的作用下，被控变量C (t)会一直上升或下降， 直到极限值。
C(t)
t
具有反向特性的过程
汽包
蒸汽
加热室
给水
具过程有控制反系向统与特仪表性第的5章非自衡过程模型
GP (s)

K (T0s 1) s(T1s 1)
e s
过程控制系统与仪表 第5章 过程特性类型
过程控制系统与仪表 第5章
工业过程控制对象的特点
除液位对象外的大多数被控对象本身是稳 定自衡对象；
过程控制系统与仪表 第5章
第5章 被控过程的数学模型

在过程控制中，被控过程（简称过程）乃是工业生产
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。被控变量通常是温度、压力、
液位、成分、转速等。被控对象内部所进行的物理、化学
过程可以是各式各样的，但是从控制的观点看，它们在本
如果对象的负荷改变后，无需外加控制作用，被控变 量y能自行趋于一个新的稳定值，这种性质被称为对象 的自衡性。有自衡性的对象易于自动控制。
过程控制系统与仪表 第5章
控制系统的控制过程品质主要取决于系统的结构 和系统中各组成环节的特性。 系统特性—是指控制系统输入输出之间的关系。 环节特性—是指环节本身输入输出之间的关系。
过程控制系统与仪表 第5章
精馏塔
过程控制系统与仪表 第5章 东渡而来精馏塔重1240吨 长94米 直径6.9米 用于海南生产聚合级丙烯
过程控制系统与仪表 第5章
过程控制系统与仪表 第5章
压缩机
过程控制系统与仪表 第5章
发酵罐 过程控制系统与仪表 第5章
过程控制系统与仪表 第5章
被控对象的特性
X r i (s)
被控对象
X c i (s)
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f(t)对被控变量c(t)的作用途径
过程控制系统与仪表 第5章
过程特性的类型
质上有许多相似之处。
在生产过程中，控制作用能否有效地克服扰动对被控
变量的影响，关键在于选择一个可控性良好的操作变量， 这就要对被控对象的动态特性进行研究。因此，研究被控 对象动态特性的目的是据以配置合适的控制系统，以满足 生产过程的要求。
过程控制系统与仪表 第5章
被控对象 在工业生产中，被控对象（简称对象）泛指工业 生产设备。常见的设备:各类热交换器、塔器、反应器、 贮液槽、各种泵 、压缩机等。一些生产过程容易操作， 工艺变量能够控制得比较平稳；另一些生产过程却很 难操作，工艺变量会产生大幅度的波动，稍有不慎就 会超出工艺允许范围而影响生产工况，甚至造成生产 事故。只有充分了解和熟悉了生产工艺过程，明确了 对象的特性，才能得心应手地操作生产过程，使生产 工况处于最佳状态。因此，研究和熟悉常见控制对象 的特性对工程技术人员来说有着十分重要的意义。
在阶跃信号的作用下，被控变量C(t)会上下振荡，且振荡的幅值逐
渐减小，最终能趋近新的稳态值。有自衡的振荡过程的响应曲线如图所 示。在控制过程中，这类过程不多见，它们的控制也比第一类过程困难 一些。
C(t)
t
有自衡的振荡过程
过程控制系统与仪表 第5章
过程特性的类型
4. 具有反向特性的过程
在阶跃信号的作用下，被控变量C (t)先升后降或先降后升， 即阶跃响应在初始情况与最终情况方向相反。
+e
给定值 －
控制器
实测值
执行器 变送器
干扰f
被控对象
被控量
过程控制系统与仪表 第控5制章器 扰动
比较
f(t)
广义对象
机构
设定值
e(t)
被控变量
r(t) -
控制装置 u(t)
执行器
过程
q(t)
c(t)
测量值 y(t)
检测元件、变送器
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：是指被控过程的输入变量（操纵变量或 扰动变量）发生变化时，其输出变量（被控变量） 随时间的变化规律。
对象动态特性存在不同程度的纯迟延； 对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量
对象外的被调量的变化相对缓慢；
被控对象往往具有非线性、不确定性与时 变等特性。
过程控制系统与仪表 第5章
列管式卧式加热器
过程控制系统与仪表 第5章
反 应 釜 中 的 加 热 方 式
过程控制系统与仪表 第5章
管式加热炉
C(t)
t
无自衡的非振荡过程
过程控无制系振统荡与仪非表 自第5章衡过程模型
GP
(s)

K Ts
e
s
GP (s)

K s(Ts 1)
e s
过程控制系统与仪表 第5章
无自衡的非振荡过程如下图中的液位过程
F1
h(t)
h
h(0)
t
(a)
F2 f(t)
过程控制系统与仪表 第5章
过程特性的类型
3. 有自衡的振荡过程
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）
过程控制系统与仪表 第5章
过程特性的类型
1.自衡的非振荡过程
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。
C(t) C(∞)
t
自衡的非振荡过程
过程控制无系统振与荡仪表自第衡5章 过程模型
GP
(s)

K Ts
1eΒιβλιοθήκη sGP(s)

(T1s
K 1)(T2 s
1)
e
s
GP (s)

K (Ts 1)n
e s
过程控制系统与仪表 第5章
过程特性的类型
例如
如图所示的通过阀门阻力排液的液位系统