化工自动化及仪表2过程特性课件

第二章第二章第二章第二章 过程特性过程特性过程特性过程特性华东理工大学信息学院自动化系华东理工大学信息学院自动化系第二章 过程特性华东理工大学信息学院自动化系1过程：过程：需要实现控制的生产过程需要实现控制的生产过程过程特性：过程特性：是指被控过程的输入变量（操纵变量或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）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。随时间的变化规律。简单控制系统方块图简单控制系统方块图过程：需要实现控制的生产过程简单控制系统方块图2本章研究内容：本章研究内容：2.1 过程特性的类型过程特性的类型2.2 过程的数学描述过程的数学描述2.3 过程特性的一般分析过程特性的一般分析2.4 过程特性的实验测定方法过程特性的实验测定方法本章研究内容：2.1 过程特性的类型2.232.1 过程特性的类型过程特性的类型通道：通道：输入变量对输出变量的作用途径输入变量对输出变量的作用途径控制通道：控制通道：操纵变量操纵变量q(t)对被控变量对被控变量c(t)的作用途径的作用途径扰动通道：扰动通道：扰动变量扰动变量f(t)对被控变量对被控变量c(t)的作用途径的作用途径 广义对象特性主要通过响应曲线来呈现。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：当控制作用控制通道的响应曲线：当控制作用u(t)做阶跃变化做阶跃变化（扰动（扰动f(t)不变不变）时，被控变量的时间特性时，被控变量的时间特性c(t)扰动通道的响应曲线：当扰动扰动通道的响应曲线：当扰动f(t)做阶跃变化（控制做阶跃变化（控制作用作用u(t)不变）时，被控变量的时间特性不变）时，被控变量的时间特性c(t)2.1 过程特性的类型通道：输入变量对输出变量的作用途径4响应曲线有四种：响应曲线有四种：有自衡的非振荡过程有自衡的非振荡过程无自衡的非振荡过程无自衡的非振荡过程响应曲线有四种：有自衡的非振荡过程无自衡的非振荡过程5有自衡的振荡过程有自衡的振荡过程具有反向特性的过程具有反向特性的过程有自衡的振荡过程具有反向特性的过程6有自衡的非振荡过程如下图中的液位过程有自衡的非振荡过程如下图中的液位过程有自衡的非振荡过程如下图中的液位过程7无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无自衡的非振荡过程如下图中的液位过程82.2 2.2 过程的数学描述过程的数学描述 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（参量模型），也就是对过程的数学描述。数学模型：数学模型：表示具体过程的输入、输出关系的数学方表示具体过程的输入、输出关系的数学方程式。程式。其形式有：其形式有：微分方程式、偏微分方程式、状态方程微分方程式、偏微分方程式、状态方程换热器换热器2.2 过程的数学描述 要研究被控过程的特性，9由前面的分析可得：由前面的分析可得：一阶被控过程一阶被控过程控制通道控制通道的动态方程为：的动态方程为：一阶被控过程一阶被控过程扰动通道扰动通道的动态方程为：的动态方程为：其中：其中：分别为控制通道、扰动通分别为控制通道、扰动通道的时间常数和放大系数；道的时间常数和放大系数；分别为被控变量增量、分别为被控变量增量、操纵变量增量和扰动变量增量。操纵变量增量和扰动变量增量。由前面的分析可得：一阶被控过程扰动通道的动态方程为：其中：102.3 过程特性的一般分析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描述有自衡非振荡过程的特性参数有放大系数系数K K、时间常数时间常数T T和时滞和时滞。放大系数放大系数K(1)控制通道的放大系数控制通道的放大系数Ko(2)扰动通道的放大系数扰动通道的放大系数Kf2.3 过程特性的一般分析 描述有自衡非振荡11(1)控制通道的放大系数控制通道的放大系数Ko定义：定义：在扰动变量在扰动变量f(t)不变不变的情况下，被控变量的变化的情况下，被控变量的变化量量c与操纵变量与操纵变量q在时间在时间趋于无穷大时之比趋于无穷大时之比控制通道的放大系数控制通道的放大系数Ko反映反映了过程以了过程以初始工作点初始工作点为基准为基准的被控变量与操纵变量在过的被控变量与操纵变量在过程结束时的变化量之间的关程结束时的变化量之间的关系，是一个系，是一个稳态特性参数稳态特性参数。(1)控制通道的放大系数Ko定义：在扰动变量f(t)不变12过程的放大系数受负荷和工作过程的放大系数受负荷和工作点的影响。点的影响。在相同的负荷下，在相同的负荷下，Ko随工作随工作点的增大而减小；点的增大而减小；在相同的工作点下，在相同的工作点下，Ko随负荷随负荷的增大而减小。的增大而减小。蒸汽加热器的稳态特性蒸汽加热器的稳态特性在某一负荷下，蒸汽量不同，在某一负荷下，蒸汽量不同，达到平衡的出口温度不同；反达到平衡的出口温度不同；反之，在蒸汽量相同，处理量不之，在蒸汽量相同，处理量不同的情况下，达到平衡的出口同的情况下，达到平衡的出口温度也不同。温度也不同。选择选择K Ko o的原则：希的原则：希望望K Ko o稍大。稍大。过程的放大系数受负荷和工作点的影响。蒸汽加热器的稳态特性在某13(2)扰动通道的放大系数扰动通道的放大系数Kf定义：定义：在操纵变量在操纵变量q(t)不变的不变的情况下，过程受到幅度为情况下，过程受到幅度为f的阶跃扰动作用，过程从原的阶跃扰动作用，过程从原有稳定状态达到新的稳定状有稳定状态达到新的稳定状态时被控变量的变化量态时被控变量的变化量 与扰动幅度与扰动幅度f之比。之比。很明显，很明显，希望希望Kf小一些小一些。但。但是，扰动对系统的影响还要是，扰动对系统的影响还要考虑考虑f的大小。的大小。(2)扰动通道的放大系数Kf定义：在操纵变量q(t)不变14时间常数时间常数T 时间常数时间常数T是表征被控变量变化快慢的是表征被控变量变化快慢的动态参数。动态参数。控制过程控制过程中时间常数的概念来源于电工中时间常数的概念来源于电工学中时间常数的概念。学中时间常数的概念。在阻容环节的充电过程中，在阻容环节的充电过程中，T=RC表征表征了充电过程的快慢。了充电过程的快慢。时间常数T 时间常数T是表征被控变量变化快慢的15定义定义1 1：在阶跃外作用在阶跃外作用下，一个阻容环节的输下，一个阻容环节的输出变化量完成全部变化出变化量完成全部变化量的量的63.2%63.2%所需要的时所需要的时间。间。定义定义2 2：在阶跃外作用在阶跃外作用下，一个阻容环节的输下，一个阻容环节的输出变化量保持初始变化出变化量保持初始变化速度，达到新的稳态值速度，达到新的稳态值所需要的时间。所需要的时间。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16 任何过程都具有储存物料或能量的能力，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。如过程的容量有热容、液容、气容。任何过程在物料或能量的传递过程中，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、也总是存在着一定的阻力，如热阻、液阻、气阻。气阻。因此，可以用过程容量系数因此，可以用过程容量系数C与阻与阻力系数力系数R的乘积来表征过程的时间常数。的乘积来表征过程的时间常数。任何过程都具有储存物料或能量的能力，如过程的17（1）控制通道时间常数控制通道时间常数To对控制系统的影响对控制系统的影响在相同的控制作用下，过程的时间常数在相同的控制作用下，过程的时间常数To越大，被越大，被控变量的变化越缓慢。控变量的变化越缓慢。To越小，被控变量的变化越越小，被控变量的变化越快。快。希望希望To适中适中（2）扰动通道时间常数）扰动通道时间常数Tf 对控制系统的影响对控制系统的影响过程的时间常数过程的时间常数Tf 越大越好越大越好，相当于对扰动信号进相当于对扰动信号进行滤波。行滤波。希望希望Tf大大（1）控制通道时间常数To对控制系统的影响（2）扰动通道时18时滞时滞定义：定义：在输入变化后，输出不是随之立即变化，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，这种现象称而是需要间隔一段时间才发生变化，这种现象称为时滞现象为时滞现象。具有纯滞后时间的阶跃响应曲线具有纯滞后时间的阶跃响应曲线 定义中的时滞包括定义中的时滞包括了两种滞后：了两种滞后：纯滞后、纯滞后、容量滞后容量滞后。实际工业过程中实际工业过程中的滞后时间是指纯滞的滞后时间是指纯滞后与容量滞后时间之后与容量滞后时间之和和时滞定义：在输入变化后，输出不是随之立即变化，而是需要间隔19纯滞后纯滞后o是由于信息的传输需要时间而引起的。是由于信息的传输需要时间而引起的。它可能起因于被控变量它可能起因于被控变量c c(t t)至测量值至测量值y y(t t)的检测通的检测通道，也可能起因于控制信号道，也可能起因于控制信号u u(t t)至操纵变量至操纵变量q q(t t)的的一侧。一侧。物料传输物料传输纯滞后o是由于信息的传输需要时间而引起的。它可能起因于被控20容量滞后是多容量过程的固有特性，是由于物料或能量容量滞后是多容量过程的固有特性，是由于物料或能量的传递需要通过一定的阻力而引起的。的传递需要通过一定的阻力而引起的。容量滞后容量滞后容量滞后是多容量过程的固有特性，是由于物料或能量的传递需要通21（1）时滞对控制通道的影响时滞对控制通道的影响 希望希望o小小。时滞时滞对系统控制过程的影响，是对系统控制过程的影响，是以其与时间常数的比值以其与时间常数的比值/T来衡量的。来衡量的。的过程较易控制；的过程较易控制；/T较大时，需要在一定程度上降低控制系统的指较大时，需要在一定程度上降低控制系统的指标；标；/T(0.50.6)时，需用特殊控制规律。时，需用特殊控制规律。（1）时滞对控制通道的影响 希望o小。时滞22（2）时滞对扰动通道的影响时滞对扰动通道的影响 一般地一般地，在不同变量的过程中，液位和压力过在不同变量的过程中，液位和压力过程的程的较小，流量过程的较小，流量过程的和和T都较小，温度过程的都较小，温度过程的c较大，成分过程的较大，成分过程的o和和c都较大。都较大。对对o无要求无要求。希望希望c大大。（2）时滞对扰动通道的影响 一般地，在不同变量232.4 过程特性的实验测定方法过程特性的实验测定方法 过程特性参数可以由过程的数学模型通过求过程特性参数可以由过程的数学模型通过求解得到，但是在生产过程中，很多过程的数学模解得到，但是在生产过程中，很多过程的数学模型是很难得到的。型是很难得到的。工程上一般用实验方法来测定过程特性参数。工程上一般用实验方法来测定过程特性参数。最简便的方法就是直接在原设备或机器中施加一最简便的方法就是直接在原设备或机器中施加一定的扰动，通过该过程的输出变量进行测量和记定的扰动，通过该过程的输出变量进行测量和记录，然后通过分析整理得到过程特性参数。录，然后通过分析整理得到过程特性参数。2.4 过程特性的实验测定方法 过程特性参24阶跃扰动法（反应曲线法）阶跃扰动法（反应曲线法）当过程处于稳定状态时，在过程的输入端施当过程处于稳定状态时，在过程的输入端施加一个幅度已知的阶跃扰动，测量和记录过程加一个幅度已知的阶跃扰动，测量和记录过程输出变量的数值，画出输出变量随时间变化的输出变量的数值，画出输出变量随时间变化的反应曲线，根据响应曲线求得过程特性参数。反应曲线，根据响应曲线求得过程特性参数。阶跃扰动法（反应曲线法）当过程处于稳定状态时25放大系数放大系数 K=B/A 时间常数时间常数 T时滞时滞 一阶系统一阶系统放大系数 K=B/A 一阶系统26放大系数放大系数K:K=c(t)-c(0)/A 时间常数时间常数T:T=2、3之间的距离之间的距离纯滞后纯滞后:=1、2之间的距离之间的距离二阶系统二阶系统放大系数K:二阶系统27 阶跃扰动法直观、简便易行、所以得到阶跃扰动法直观、简便易行、所以得到了广泛的应用。但是许多过程较复杂、扰动了广泛的应用。但是许多过程较复杂、扰动因素较多，会影响测试精度；另外，由于工因素较多，会影响测试精度；另外，由于工艺条件的限制，阶跃扰动幅度不能太大，所艺条件的限制，阶跃扰动幅度不能太大，所以在实施扰动法时应该在系统相对稳定的情以在实施扰动法时应该在系统相对稳定的情况下进行。况下进行。阶跃扰动法直观、简便易行、所以得到了广泛的28