[工学]化工自动化及仪表 第2章.ppt

第二章 过程特性 华东理工大学信息学院自动化系 * * 过程： 简单控制系统方块图 过程特性： 需要实现控制的机器、设备或生产过程 是指被控过程的输入变量发生变化时，其输出变量（被控变量）随时间的变化规律。 操纵变量、扰动变量 被控变量 研究过程特性的必要性： 为了更好地实施控制 本章研究内容： 2.1 过程特性的类型 2.2 过程的数学描述 2.3 过程特性的一般分析 2.4 过程特性的实验测定方法 2.1 过程特性的类型 通道： 扰动通道： 控制通道： 输入变量对输出变量的作用途径 操纵变量q(t)对被控变量c(t)的作用途径 扰动变量f(t)对被控变量c(t)的作用途径 2.1 过程特性的类型 广义对象特性主要通过响应曲线来呈现 控制通道的响应曲线：当控制作用u(t)做阶跃变化（扰动f(t)不变）时被控变量的时间特性c(t) 扰动通道的响应曲线：当扰动f(t)做阶跃变化（控制作用u(t) 不变）时被控变量的时间特性c(t) 响应曲线有四种： 有自衡的非振荡过程 无自衡的非振荡过程 有自衡的振荡过程 具有反向特性的过程 有自衡的非振荡过程如下图中的液位过程 无自衡的非振荡过程如下图中的液位过程 2.2 过程的数学描述 要研究被控过程的特性，就必须知道被控过程的数学模型（参量模型），也就是对过程的数学描述。 数学模型：表示具体过程的输入、输出关系的数学方程式。 其形式有：微分方程式、偏微分方程式、状态方程 2.2 过程的数学描述 蒸汽加热器 建立数学模型的方法：机理建模法、实验测定法 能量平衡方程 由前面的分析（略）可得： 一阶被控过程控制通道的动态方程为： 一阶被控过程扰动通道的动态方程为： 有纯滞后 其中： 分别为控制通道、扰动通道的时间常数和放大系数； 分别为被控变量增量、操纵变量增量和扰动变量增量。 2.3 过程特性的一般分析 描述有自衡非振荡过程的特性参数有放大系数K、时间常数T和时滞τ。 放大系数K (1) 控制通道的放大系数Ko (2) 扰动通道的放大系数Kf (1) 控制通道的放大系数Ko 定义：在扰动变量f(t)不变的情况下，被控变量的变化量Δc(t)与操纵变量的变化量Δq(t)在时间趋于无穷大时之比 控制通道的放大系数Ko反映了过程以初始工作点为基准的被控变量与操纵变量在过程结束时的变化量之间的关系，是一个稳态特性参数。 在某一负荷下，蒸汽量不同，达到平衡的出口温度不同；反之，在蒸汽量相同，处理量（负荷）不同的情况下，达到平衡的出口温度也不同。 过程的放大系数受负荷和工作点的影响。 在相同的负荷下， Ko随工作点的增大而减小； 在相同的工作点下，Ko随负荷的增大而减小。 蒸汽加热器的稳态特性 Ko该如何选择呢？： 选择Ko的原则： 希望Ko稍大。 (2) 扰动通道的放大系数Kf 定义：在操纵变量q(t)不变的情况下，过程受到幅度为Δf的阶跃扰动作用，过程从原有稳定状态达到新的稳定状态时被控变量的变化量 与扰动幅度Δf之比。 Kf该如何选择呢？ 很显然，希望Kf小一些。但是，扰动对系统的影响还要考虑Δf的大小。 时间常数T 时间常数T是表征被控变量变化快慢的动态参数。 控制过程中时间常数的概念来源于电工学中时间常数的概念。 在阻容环节的充电过程中，T=RC表征了充电过程的快慢。 定义1：在阶跃外作用下，一个阻容环节的输出变化量完成全部变化量的63.2%所需要的时间,称为该阻容环节的时间常数。 定义2：在阶跃外作用下，一个阻容环节的输出变化量保持初始变化速度，达到新的稳态值所需要的时间。 任何过程都具有储存物料或能量的能力，如过程的容量有热容、液容、气容。 因此，可以用过程容量系数C与阻力系数R的乘积来表征过程的时间常数。 任何过程在物料或能量的传递过程中，也总是存在着一定的阻力，如热阻、液阻、气阻。 （1）控制通道时间常数To对控制系统的影响 在相同的控制作用下，过程的时间常数To越大，被控变量的变化越缓慢。 To越小，被控变量的变化越快。 （2）扰动通道时间常数Tf 对控制系统的影响 过程的时间常数Tf 越大越好，相当于对扰动信号进行滤波。 希望To适中 希望Tf大 纯滞后τ 定义：在输入变化后，输出不是随之立即变化，而是需要间隔一段时间才发生变化，这种现象称为纯滞后（时滞）现象。 具有纯滞后时间的阶跃响应曲线 定义中的纯滞后包括了两种滞后：纯滞后、容量滞后。 实际工业过程中的纯滞后时间是指纯滞后与容量滞后时间之和 纯滞后τo是由于信息的传输需要时间而引起的。 它可能源于被控变量c(t)至