第一篇-第一章课件

过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性第一篇第一篇 简单控制系统简单控制系统 简单控制系统简单控制系统指指SISO（single input single output）的线性系统，是控制系统的基本形式。也称的线性系统，是控制系统的基本形式。也称单回路系单回路系统统，单回路调节系统单回路调节系统，指一个被调量、一个调节量、，指一个被调量、一个调节量、一个调节器和调节阀组成的系统，只有一个调节回路，一个调节器和调节阀组成的系统，只有一个调节回路，这类系统在过程控制中占大部分，约这类系统在过程控制中占大部分，约80%80%以上。以上。复杂控制系统复杂控制系统在简单系统的基础上发展起来的。在简单系统的基础上发展起来的。其特点：其特点：（1 1）结构简单，容易掌握）结构简单，容易掌握 （2 2）具有广泛的适应性）具有广泛的适应性 （3 3）经济实用）经济实用 （4 4）可靠性高）可靠性高过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性简单控制系统示例过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性单元组合仪表构成的简单控制系统方框图单元组合仪表构成的简单控制系统方框图过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性SIMATICPCS7过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性被控对象、调节对象（被控对象、调节对象（process,plant,object）被控变量、被调量被控变量、被调量(controlledvariable)给定值给定值(setpoint)操纵变量、调节量操纵变量、调节量(manipulatedvariable)扰动、噪声、干扰扰动、噪声、干扰(disturbance,noise)检测变送检测变送(sensor,transmitter)控制器、调节器控制器、调节器(controller,regulator)执行器执行器(controlvalve,actuator,controlelement)过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性第一章第一章 生产过程动态特性生产过程动态特性1-1 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标1-2被控对象的动态特性被控对象的动态特性1-3过程数学模型及其建立方法过程数学模型及其建立方法过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性 1-11-1 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标一、一、控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程二、二、单项性能指标单项性能指标 衰减率衰减率、超调量、超调量、稳态误差、稳态误差e()、调节时间调节时间ts三、三、时间时间积分指标积分指标：IE、IAE、ISE、ITAE四、四、控制系统运行的重要准则控制系统运行的重要准则过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性小结：小结：1 1 单项指标用若干特征参数评价系统优劣；单项指标用若干特征参数评价系统优劣；2 2 积分指标用误差积分综合评价系统优劣；积分指标用误差积分综合评价系统优劣；3 3 根据具体生产过程选用不同的指标；根据具体生产过程选用不同的指标；4 4 通常将衰减率和积分指标结合，首先满足通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率。衰减率。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性 过渡过程、调节过程：在扰动或给定值变化的过渡过程、调节过程：在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定值，在控制调节作用下，情况下，被控量偏离给定值，在控制调节作用下，接近给定值或跟随给定值变化的过程。接近给定值或跟随给定值变化的过程。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性稳态稳态稳态稳态动态动态被调量被调量y(t)（系统输出）（系统输出）时间时间(t)动态特性：被控参数随给定值变化过程的特性。静态特性：被控参数处于稳定范围时的特性。典型阶跃响应特性典型阶跃响应特性t0给定给定值阶跃值阶跃过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性1.非周期衰减过程非周期衰减过程2.衰减振荡过程衰减振荡过程3.等幅振荡过程等幅振荡过程4.发散振荡过程发散振荡过程典型阶跃扰动响应特性典型阶跃扰动响应特性的四种形式（扰动特性）的四种形式（扰动特性）的四种形式（扰动特性）的四种形式（扰动特性）过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性控制要求控制要求安全性安全性积极性积极性稳定性稳定性评价指标评价指标稳定性稳定性准确性准确性快速快速性性控制系统中某一个参数改变时对过渡过程的影响控制系统中某一个参数改变时对过渡过程的影响过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性二、二、单项性能指标单项性能指标稳定性：闭环极点位于稳定性：闭环极点位于s s左半平面左半平面 衰减比、衰减率衰减比、衰减率准确性：被调量与给定值之间的偏差小准确性：被调量与给定值之间的偏差小 超调量、最大动态偏差、静差（余差、残差、稳超调量、最大动态偏差、静差（余差、残差、稳 态偏差）态偏差）快速性：系统存在偏差的时间尽量短快速性：系统存在偏差的时间尽量短 恢复时间（调节时间）、振荡周期、振荡频率、恢复时间（调节时间）、振荡周期、振荡频率、上升时间、峰值时间上升时间、峰值时间偏离度：被调量偏离设定（参比变量）的离散程度，偏离度：被调量偏离设定（参比变量）的离散程度，是被控量统计特性描述，是综合性能指标。是被控量统计特性描述，是综合性能指标。在相同干扰作用下，定值系统输出的最大偏差越大，偏离在相同干扰作用下，定值系统输出的最大偏差越大，偏离在相同干扰作用下，定值系统输出的最大偏差越大，偏离在相同干扰作用下，定值系统输出的最大偏差越大，偏离度越大；在相同的衰减比下，输出的周期越大，偏离度越大。度越大；在相同的衰减比下，输出的周期越大，偏离度越大。度越大；在相同的衰减比下，输出的周期越大，偏离度越大。度越大；在相同的衰减比下，输出的周期越大，偏离度越大。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性控制器广义对象+-给定给定r被调量被调量yy1y3yessts单项性能指标单项性能指标衰减率衰减率（damping ratio）:=超调量超调量(overshoot):=稳态误差稳态误差(offset):ess=y-r调节时间调节时间:ts(进入稳态值进入稳态值5%范围内范围内）rt0yt过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性1.1.衰减比衰减比n：衰减比（衰减比（Subsidence ratio,decay ratio）是控制系统的稳定性指标。是相邻同方向两个波峰的是控制系统的稳定性指标。是相邻同方向两个波峰的幅值之比。即：幅值之比。即：n1衰减振荡；衰减振荡；n无穷大为非周期过程无穷大为非周期过程 衰减率衰减率表示控制系统的稳定性。每经过一个周期后，表示控制系统的稳定性。每经过一个周期后，波动幅度衰减的百分数，即：波动幅度衰减的百分数，即：对定值系统衰减率要求为对定值系统衰减率要求为75%；对随动系统衰减率要求为对随动系统衰减率要求为90%过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性2 2超调量和最大动态偏差：超调量和最大动态偏差：随动控制系统中，超调量（随动控制系统中，超调量（Overshoot）定义定义为：为：定值控制系统采用最大动态偏差定值控制系统采用最大动态偏差A A表示超调程度。表示超调程度。即：即：过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性3余差余差e()：控制系统的最终稳态偏差：控制系统的最终稳态偏差 在阶跃输入作用下，余差（在阶跃输入作用下，余差（Steady-state error）为：）为：定值控制系统中，定值控制系统中，r=0，因此有：，因此有：余差是控制系统稳态准确性指标余差是控制系统稳态准确性指标。e()=-C过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性4回复时间回复时间Ts和振荡频率和振荡频率 ：被控变量从过：被控变量从过渡过程开始到进入稳态值渡过程开始到进入稳态值5%或或2%范围内范围内（误差带）时间作为过渡过程的回复时间（误差带）时间作为过渡过程的回复时间T Ts s（Settling time），是系统的快速性指标。），是系统的快速性指标。振荡频率振荡频率与振荡周期与振荡周期T T的关系是的关系是 相同衰减比相同衰减比n下，下，越高，回复时间越高，回复时间Ts越短；越短；在相同在相同下，下，n越大，越大，Ts越短。越短。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性讨论：讨论：（二阶系统）（二阶系统）不振不振荡衰减衰减衰减衰减等幅等幅系系统振振荡1041衰减比衰减比90 206612282800.3660.2210衰减指数衰减指数10.3440.2160阻尼系数阻尼系数10.90.750衰减率衰减率过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性小结：小结：衰减率越大，则系统振荡频率越低；衰减率越大，则系统振荡频率越低；过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性三、三、时间时间积分指标积分指标：各种积分指标各种积分指标(综合性控制指标综合性控制指标)常用表达形式：常用表达形式：1.1.误差积分准则误差积分准则IE（integral of error criterion）优点：简单，也称为线性积分准则优点：简单，也称为线性积分准则 ，用于估计过程，用于估计过程控制的难易程度，也可估计控制方法的效果。控制的难易程度，也可估计控制方法的效果。局限：不能抑制响应等幅波动，单凭局限：不能抑制响应等幅波动，单凭IEIE不能衡量系不能衡量系统的稳定性。统的稳定性。使用：规定使用：规定衰减率衰减率下作为性能指标下作为性能指标过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性2.2.绝对误差积分绝对误差积分IAE IAE （integral of absolute value of error criterion）衡量响应曲线在零误差线两侧的总面积大小，衡量响应曲线在零误差线两侧的总面积大小，对于负荷变化引起的误差最终要消失，故任何一个对于负荷变化引起的误差最终要消失，故任何一个稳定的回路，稳定的回路，IAE毕趋于一有限值。毕趋于一有限值。优点：抑制响应优点：抑制响应等幅波动等幅波动，常用于定值系统，常用于定值系统缺点：最小系统误差难确定缺点：最小系统误差难确定特例：对于响应曲线全部位于曲线一侧时有特例：对于响应曲线全部位于曲线一侧时有IAE=IE过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性3.平方误差积分平方误差积分ISE（integralofsquarederrorcriterion）优点：对大误差加权大，故对大误差灵敏，抑优点：对大误差加权大，故对大误差灵敏，抑制响应等幅波动和大误差制响应等幅波动和大误差缺点缺点:易产生振荡易产生振荡使用：抑制最大动态偏差使用：抑制最大动态偏差过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性4.4.时间与绝对误差乘积积分时间与绝对误差乘积积分ITAE（integraloftime-weightedabsoluteerrorcriterion）优点：着重惩罚过渡过程时间优点：着重惩罚过渡过程时间Ts过长过长 缺点：对初始误差及随机误差不灵敏缺点：对初始误差及随机误差不灵敏使用：常用于随动系统使用：常用于随动系统过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性1.1.负反馈准则：负反馈准则：控制系统开环增益之积为正，即控制系统开环增益之积为正，即2.2.稳定运行准则：稳定运行准则：静态条件是扰动或给定变化时增益静态条件是扰动或给定变化时增益之积恒定，即之积恒定，即动态条件是扰动或给定变化是总开环传函的模恒定，动态条件是扰动或给定变化是总开环传函的模恒定，即即四、四、控制系统运行的重要准则控制系统运行的重要准则控制系统运行的重要准则控制系统运行的重要准则过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性 1-21-2 被控对象的动态特性被控对象的动态特性一、一、基本概念基本概念二、二、典型对象动态特性典型对象动态特性三、三、工业过程动态特性的特点工业过程动态特性的特点 无振荡、稳定、有迟延、非线性无振荡、稳定、有迟延、非线性四四、过程特性对控制性能指标的影响过程特性对控制性能指标的影响过程特性对控制性能指标的影响过程特性对控制性能指标的影响五、五、五、五、被控变量和操纵变量的选择被控变量和操纵变量的选择过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性一、基本概念一、基本概念 控制系统的运行效果取决于被控对象（内因）控制系统的运行效果取决于被控对象（内因）和控制系统（外因）两个方面。和控制系统（外因）两个方面。外因只有通过内因起作用外因只有通过内因起作用外因只有通过内因起作用外因只有通过内因起作用，内因是最终效果的内因是最终效果的内因是最终效果的内因是最终效果的决定因素决定因素决定因素决定因素。设计调节系统的前提是：设计调节系统的前提是：正确掌握工艺系统调正确掌握工艺系统调节作用（输入）与调节结果（输出）之间的关系节作用（输入）与调节结果（输出）之间的关系对象的特性对象的特性。1.1.定义：定义：所谓研究对象的特性，就是用数学的方法所谓研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系来描述出对象输入量与输出量之间的关系数学数学建模。建模。对象的数学模型：对象特性的数学描述。对象的数学模型：对象特性的数学描述。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性2.2.对象特性的分类对象特性的分类 对象的数学模型可以分为静态数学模型和动态对象的数学模型可以分为静态数学模型和动态数学模型。数学模型。静态数学模型静态数学模型描述的是对象在稳定时（静描述的是对象在稳定时（静态）的输入与输出关系；态）的输入与输出关系；动态数学模型动态数学模型描述的是在输入量改变以后描述的是在输入量改变以后输出量跟随变化的规律；输出量跟随变化的规律；动态数学模型是更精确的模型，静态数动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的特例。特例。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性3.3.系统的动态特性：系统的动态特性：对象受到干扰作用或调节作用后，对象受到干扰作用或调节作用后，被调参数跟随变化规律。被调参数跟随变化规律。研究系统动态特性的核心研究系统动态特性的核心是：寻找系统输入与输出之是：寻找系统输入与输出之间的（函数）规律。间的（函数）规律。系统输入量系统输入量：干扰作用、调节作用：干扰作用、调节作用系统输出量系统输出量：主要被调参数、副作用（副参数）：主要被调参数、副作用（副参数）数学模型的表示方法：数学模型的表示方法：非参量模型非参量模型：用曲线、图表表示的系统输入与输出：用曲线、图表表示的系统输入与输出量之间的关系；量之间的关系；参量模型参量模型：用数学方程式表示的系统输入与输出量：用数学方程式表示的系统输入与输出量之间的关系。之间的关系。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性4.4.对象动态特性的研究方法对象动态特性的研究方法理论分析理论分析 根据系统工艺实际过程的数、质、量关系，分根据系统工艺实际过程的数、质、量关系，分析计算析计算输入量与输出量之间的关系输入量与输出量之间的关系。实验研究实验研究 有些系统的输入与输出之间的关系是比较难以有些系统的输入与输出之间的关系是比较难以通过计算来获得的。需要在实际系统或实验系统中，通过计算来获得的。需要在实际系统或实验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变化规律通过一组输入来考察输出的跟随变化规律反映反映输入与输出关系的输入与输出关系的经验曲线和经验函数关系经验曲线和经验函数关系。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性大多数工业过程的动态特性分属于下列四种类型大多数工业过程的动态特性分属于下列四种类型;1.有自衡（有自衡（self-regulating）的非振荡过程）的非振荡过程：过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性2.无自衡（无自衡（nonself-regulating）的非振荡过程）的非振荡过程较为常见的过程特性，传递函数形式如下较为常见的过程特性，传递函数形式如下过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性3.自衡的振荡过程自衡的振荡过程：传递函数形式如下：传递函数形式如下过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性4.具有反向特性的过程具有反向特性的过程：传递函数形式如下：传递函数形式如下过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性例一：一阶对象例一：一阶对象（有自衡特性的单容对象有自衡特性的单容对象singlecapacity）其中：其中：k调节阀阀门系数；系数；RS手动阀门局部阻力系数，手动阀门局部阻力系数，截面积为截面积为F，负荷，负荷Q2，输入阀门开度，输入阀门开度，被调量被调量h过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性由体积守恒可得：由体积守恒可得：且阀门特性为：且阀门特性为：由此可得：由此可得：化为标准形式化为标准形式 ：过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性线性化处理线性化处理 ：可得一阶水箱对象的增量微分方程为：可得一阶水箱对象的增量微分方程为：以平衡态为起点，则可去掉增量符号得线性微分方程以平衡态为起点，则可去掉增量符号得线性微分方程Rs称为液阻：称为液阻：自衡的单容对象传递函数为自衡的单容对象传递函数为过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性例二：积分对象（单容积分水箱）例二：积分对象（单容积分水箱）由体积守恒可得：(Q1-Q2)dt=Fdh其中：Q2=CC常数由此可得：dh/dt=Q1/F-Q2/F 若负荷不变则有:dh/dt=（k/F）过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性例三：二阶对象（双容水箱例三：二阶对象（双容水箱doublecapacity）由体积守恒可得由体积守恒可得k阀门系数；系数；R1、R2阻力系阻力系数，截面积为数，截面积为F1、F2，负荷，负荷Q2，输入，输入Q1，被调量被调量h过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性对上述方程求拉斯变换得：对上述方程求拉斯变换得：对上述方程消去中间变量得对象的传递函数为对上述方程消去中间变量得对象的传递函数为过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性上式可表示为：上式可表示为：式中式中T1、T2分别为上、下水箱惯性时间分别为上、下水箱惯性时间常数常数过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性三、三、工业过程动态特性的特点工业过程动态特性的特点1.1.对象的动态特性是不振荡的；设计时要避免各种参数振荡，对象的动态特性是不振荡的；设计时要避免各种参数振荡，对象不会振荡；对象不会振荡；2.2.有延迟、惯性：由于物质或能量的流动、转换、传递过程有延迟、惯性：由于物质或能量的流动、转换、传递过程中有阻力的存在，使得状态参数的变化需要一定的时间。中有阻力的存在，使得状态参数的变化需要一定的时间。延迟和惯性取决于设备的参数、及信号的性质。延迟包括延迟和惯性取决于设备的参数、及信号的性质。延迟包括纯滞后和容量滞后；纯滞后和容量滞后；纯滞后纯滞后又称为传递滞后。纯滞后的产生一般是由于介质的又称为传递滞后。纯滞后的产生一般是由于介质的输送、能量传递和信号传输需要一段时间而引起的。输送、能量传递和信号传输需要一段时间而引起的。容量滞后的产生一般是物料或能量传递需要通过一定的阻容量滞后的产生一般是物料或能量传递需要通过一定的阻力而引起的。它是多容过程所固有的特性。力而引起的。它是多容过程所固有的特性。3.3.有自平衡能力（稳定对象）及无自平衡能力对象（中性稳有自平衡能力（稳定对象）及无自平衡能力对象（中性稳定对象）。定对象）。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性1）典型自衡对象传函）典型自衡对象传函2）典型非自衡对象传函）典型非自衡对象传函过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性四、四、过程特性对控制性能指标的影响过程特性对控制性能指标的影响过程特性对控制性能指标的影响过程特性对控制性能指标的影响1.1.增增对控制对控制益益质量质量的影响的影响 放大系数又称静态增益是被调量重新达到平衡状态放大系数又称静态增益是被调量重新达到平衡状态的输出变化量与输入变化量之比。的输出变化量与输入变化量之比。1 1）调节通道的增益）调节通道的增益k0 对控制质量的影响对控制质量的影响 k0 增加时，余差减小，动态偏差减小，控制作用增强增加时，余差减小，动态偏差减小，控制作用增强k0 增加时，系统稳定性变差；增加时，系统稳定性变差；k0 是稳定特性，不同负荷、不同工作点保持恒定是稳定特性，不同负荷、不同工作点保持恒定 闭环总增益的稳定是系统稳定的前提，故闭环总增益的稳定是系统稳定的前提，故k0 kc的乘积的乘积保持不变；选择调节量是应考虑选大且稳。保持不变；选择调节量是应考虑选大且稳。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性2 2）干扰通道增益）干扰通道增益kf 对控制质量的影响对控制质量的影响 kf 常与干扰幅值的乘积一起考虑常与干扰幅值的乘积一起考虑；kf F 的值越大，则干扰对控制系统的影响的值越大，则干扰对控制系统的影响越大越大可通过增加前馈控制来减小或消除扰动的可通过增加前馈控制来减小或消除扰动的影响影响 过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性2.2.时间常数时间常数T0对控制质量对控制质量的影响的影响 反映了被控对象输入作用下输出变量达到新稳态值反映了被控对象输入作用下输出变量达到新稳态值的快慢，决定了整个动态过程长短。的快慢，决定了整个动态过程长短。1 1）调节通道的）调节通道的T0 对控制质量的影响对控制质量的影响 0/T0 0当较小时，系统的控制品质较好当较小时，系统的控制品质较好；k k0 0 固定固定，如如0/T0 0 比值固定，则比值固定，则T0 0大系统的临界振大系统的临界振荡频率荡频率小，调节时间长，动态特性差小，调节时间长，动态特性差；当当0/T0 0 固定时固定时，T0 0 对系统的稳定性无影响对系统的稳定性无影响 当当0/T0 0 固定时固定时，T0 0 对系统的响应速度有影响对系统的响应速度有影响 减小中间时间常数，系统响应速度加快，品质提高减小中间时间常数，系统响应速度加快，品质提高过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性2 2）干扰通道的）干扰通道的Tf 对控制质量的影响对控制质量的影响 Tf大，则扰动对输出的影响慢，有利于克大，则扰动对输出的影响慢，有利于克服扰动服扰动 T0/Tf 1，扰动对输出有微分作用，控制扰动对输出有微分作用，控制品质变差品质变差应选择调节量尽量使扰动作用点向控制阀应选择调节量尽量使扰动作用点向控制阀移动移动过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性3.3.时滞时滞对控制质量的影响：对控制质量的影响：1 1）控制通道时滞）控制通道时滞o 的影响：的影响：开环传递函数存在时滞（检测变送器、被控开环传递函数存在时滞（检测变送器、被控对象、执行器），使控制不及时，超调增大，对象、执行器），使控制不及时，超调增大，系统不稳定。系统不稳定。用用o/To 反映时滞的相对影响。反映时滞的相对影响。通常，通常，o/To 0.30.3时，系统可用简单控制时，系统可用简单控制系统进行控制；当系统进行控制；当o/To 0.30.3时，采用其他控时，采用其他控制方案。制方案。在设计和应用时应尽量减小时滞，有时可在设计和应用时应尽量减小时滞，有时可增大时间常数以减小增大时间常数以减小o/To。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性2 2）扰动通道时滞）扰动通道时滞f 对控制质量的影响：对控制质量的影响：时滞时滞f 的存在不影响系统闭环极点的分布，的存在不影响系统闭环极点的分布，因此，不影响系统稳定性。它仅表示扰动进因此，不影响系统稳定性。它仅表示扰动进入系统的时间先后，即不影响控制系统控制入系统的时间先后，即不影响控制系统控制品质。品质。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性4.4.扰动进入系统位置对控制质量的影响扰动进入系统位置对控制质量的影响 当当F F 的幅值和形式相同时，位置越远离被控变量的幅值和形式相同时，位置越远离被控变量或越靠近调节量，扰动对系统被调量的影响越小，因或越靠近调节量，扰动对系统被调量的影响越小，因扰动进入位置越远离被调量，相当于等效时间常数越扰动进入位置越远离被调量，相当于等效时间常数越大获或扰动通道的滤波环节越多，扰动对被调量的影大获或扰动通道的滤波环节越多，扰动对被调量的影响越小。响越小。当等效扰动通道增益当等效扰动通道增益Kf 增大时，应根据增大时，应根据Kf F 确定确定扰动的影响。扰动的影响。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性五、被调量和调节量的选择五、被调量和调节量的选择1.1.被调量的选择原则：被调量的选择原则：由工艺过程选择能够反映工艺过程的由工艺过程选择能够反映工艺过程的重要参数重要参数 在工艺系统中易受干扰变化，在工艺系统中易受干扰变化，需要需要经常调节的参数经常调节的参数 易于测量且关系简单的易于测量且关系简单的直接质量指标直接质量指标作为被控变量作为被控变量尽可能选用尽可能选用直接指标直接指标作为被控参数，必要时可用与作为被控参数，必要时可用与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量 被控变量应被控变量应方便检测方便检测，并有足够的，并有足够的灵敏度灵敏度 适当考虑系统适当考虑系统测控代价测控代价 被控变量应是被控变量应是独立可控独立可控的的过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性2.2.调节量的选择原则：调节量的选择原则：在自动控制系统中，用于调在自动控制系统中，用于调节被控变量的参数，称为操纵变量节被控变量的参数，称为操纵变量。是工艺上允许调节的变量是工艺上允许调节的变量 对被控变量影响较大的调节量，对被控变量影响较大的调节量，Ko 尽量大尽量大 调节调节量应具有较高的调节灵敏度量应具有较高的调节灵敏度 对被调量有较快响应，即对被调量有较快响应，即o/To小小 过程的过程的To/Tf 应尽量小应尽量小 使过程的使过程的Kf F尽量小尽量小 工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合，工艺的合理性与动态响应的快速性应有机结合，且符合生产的经济性且符合生产的经济性过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性 系统的滞后：系统的滞后：检测系统特性的影响主要表现为检测系统特性的影响主要表现为时间滞后的作用。时间滞后的作用。造成系统滞后的主要原因有：造成系统滞后的主要原因有：被测对象滞后被测对象滞后：测量点不能及时反映参数的：测量点不能及时反映参数的变化。存在容积滞后和变化。存在容积滞后和/或传递滞后。或传递滞后。检测元件滞后检测元件滞后：因热容、热阻等惯性因素的：因热容、热阻等惯性因素的影响，导致检测仪表的输出不能及时反映影响，导致检测仪表的输出不能及时反映参数的变化。参数的变化。信号传递滞后信号传递滞后：主要是气动信号传递较慢导：主要是气动信号传递较慢导致系统反映滞后。致系统反映滞后。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性克服传递滞后采取以下措施：克服传递滞后采取以下措施：尽可能缩短传送管线长度，一般气压信号管路尽可能缩短传送管线长度，一般气压信号管路长度不超过长度不超过300m300m，管径应大于，管径应大于mmmm。或在气路。或在气路60m60m距离间加气动继动器，提高气信号传输功率，减距离间加气动继动器，提高气信号传输功率，减小传输时间。小传输时间。采用气采用气-电、电电、电-气转换器实现转换传递，或用气转换器实现转换传递，或用阀门定位器等。阀门定位器等。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性一、一、过程数学模型的表达形式与对模型的要求过程数学模型的表达形式与对模型的要求二、建立数学模型的两个基本方法二、建立数学模型的两个基本方法 1.1.机理建模法机理建模法 2.2.测试建模法测试建模法三、阶跃响应确定传递函数三、阶跃响应确定传递函数 1.1.阶跃响应获取应注意的问题阶跃响应获取应注意的问题 2.2.确定自衡对象传递函数确定自衡对象传递函数 3.3.确定非自衡对象传递函数确定非自衡对象传递函数1-3过程数学模型及其建立方法过程数学模型及其建立方法过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性1.1.被控对象数学模型的表达形式被控对象数学模型的表达形式按模型结构划分：按模型结构划分：输入输出模型输入输出模型状态空间模型状态空间模型连续系统模型连续系统模型离散系统模型离散系统模型按系统的连续性划分：按系统的连续性划分：2.2.被控对象数学模型的利用方式被控对象数学模型的利用方式离线方式：离线方式：模型在进行控制系统设计或调试整定阶段中发挥作用。模型在进行控制系统设计或调试整定阶段中发挥作用。在线方式：在线方式：模型嵌入控制系统中，具有实时性。模型嵌入控制系统中，具有实时性。3.3.对被控对象数学模型的要求对被控对象数学模型的要求 不要求非常准确，闭环控制具有一定的鲁棒性不要求非常准确，闭环控制具有一定的鲁棒性。实域表达实域表达:阶跃响应阶跃响应频域表达：传递函数频域表达：传递函数一、一、过程数学模型的表达形式与对模型的要求过程数学模型的表达形式与对模型的要求1-3过程数学模型及其建立方法过程数学模型及其建立方法过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性4.对过程模型的要求对过程模型的要求 对过程模型的要求是正确、可靠和简单。对过程模型的要求是正确、可靠和简单。5.过程动态模型可分为三类过程动态模型可分为三类黑箱模型黑箱模型(Blackboxmodel)灰箱模型灰箱模型(Gray box)或概念模型或概念模型(conceptual model)白箱模型白箱模型(whitebox)称经验模型称经验模型,其内部规律还很其内部规律还很少为人们所知的现象。少为人们所知的现象。内部规律尚不十分清楚，在建立和改善模型方内部规律尚不十分清楚，在建立和改善模型方面有许多工作要做的问题。面有许多工作要做的问题。指那些内部规律比较指那些内部规律比较清楚的模型清楚的模型。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性6.6.过程模型建立的方法过程模型建立的方法 系统辩识方法（系统辩识方法（System Identification）；经验）；经验建模方法；机理建模方法：混合方法。建模方法；机理建模方法：混合方法。系统辩识方法系统辩识方法：由输入输出数据确定模型的结构：由输入输出数据确定模型的结构和参数的建模方法，建立的模型称为黑箱模型；和参数的建模方法，建立的模型称为黑箱模型；过程辨识的方法按输入变量的变化大致可分为过程辨识的方法按输入变量的变化大致可分为非非周期函数周期函数，周期函数周期函数，非周期性随机函数非周期性随机函数及及周期性周期性随机函数随机函数等四类。常用等四类。常用阶跃响应法阶跃响应法和和脉冲响应法脉冲响应法；需要验前知识少，但建立的模型不具有放大功能，需要验前知识少，但建立的模型不具有放大功能，即不能类推到不同型号的放大设备或过程中；即不能类推到不同型号的放大设备或过程中；把两种途径结合，介于上述两种方法之间的建模把两种途径结合，介于上述两种方法之间的建模方法，称为方法，称为混合方法混合方法。所得。所得模型称为模型称为灰箱模型灰箱模型。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性1.1.机理建模方法：机理建模方法：根据过程的内在机理，应用物料平衡、能量平衡根据过程的内在机理，应用物料平衡、能量平衡和有关的化学、物理规律建立过程模型的方法是机理和有关的化学、物理规律建立过程模型的方法是机理建模方法，又称为建模方法，又称为过程动态学方法过程动态学方法。建立的模型称为。建立的模型称为白箱模型白箱模型。（1 1）建立机理模型的方法建立机理模型的方法 列写基本方程：物料平衡和能量平衡方程等；列写基本方程：物料平衡和能量平衡方程等；消去中间变量，建立状态变量消去中间变量，建立状态变量x、控制变量、控制变量u和输和输出变量出变量y的关系；的关系；增量化：在工作点对方程进行增量化得增量方程增量化：在工作点对方程进行增量化得增量方程 线性化：在工作点作线性化处理，简化过程特性线性化：在工作点作线性化处理，简化过程特性 列写状态和输出方程。列写状态和输出方程。二、建立数学模型的两个基本方法二、建立数学模型的两个基本方法过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性机理建模：机理建模：物质平衡方程物质平衡方程能量平衡方程能量平衡方程动量平衡方程动量平衡方程输入输出微分方程输入输出微分方程传递函数传递函数在工作点附近线性化处理在工作点附近线性化处理过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性（2 2）机理模型的优点）机理模型的优点 充分利用已知的过程知识，从事物的本质上去认识充分利用已知的过程知识，从事物的本质上去认识外部特性外部特性可验前得出，在流程和设备的设计阶段即能求取；可验前得出，在流程和设备的设计阶段即能求取；有较大的适用范围，操作条件变化是可以类推。有较大的适用范围，操作条件变化是可以类推。（3 3）机理模型的缺点）机理模型的缺点对于复杂的过程，对基本方程的某些参数不完全对于复杂的过程，对基本方程的某些参数不完全掌握，如换热器的掌握，如换热器的K值，由传热学书籍提供的公式值，由传热学书籍提供的公式可能有可能有1030的误差等。的误差等。如不经过输入输出数据的验证，则近乎纸上谈兵，如不经过输入输出数据的验证，则近乎纸上谈兵，难以判断其正确性。难以判断其正确性。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性例：二阶双容水箱对象例：二阶双容水箱对象k阀门系数系数R1,R2阻力系数阻力系数F1、F2截面积截面积Q2负荷负荷(t)输入输入h2被调量被调量过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性则根据梅逊公式可得对象的等效传递函数为则根据梅逊公式可得对象的等效传递函数为过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性测试建模：利用输入输出数据提供的信息建立过程测试建模：利用输入输出数据提供的信息建立过程对象的数学模型，也叫辨识。对象的数学模型，也叫辨识。实质：从一组模型类中选择一个模型，按照某种实质：从一组模型类中选择一个模型，按照某种准则，使之能最好的拟和所关心的实际过程的动态准则，使之能最好的拟和所关心的实际过程的动态特性。分为特性。分为:经典辨识法经典辨识法现代辨识法现代辨识法用阶跃响应曲线建模（开环）用阶跃响应曲线建模（开环）用脉冲响应曲线建模（开环）用脉冲响应曲线建模（开环）用频率响应建模（闭环）用频率响应建模（闭环）相关分析等相关分析等最小二乘类参数辨识方法最小二乘类参数辨识方法极大似然法极大似然法预报误差法等预报误差法等2.测试建模法测试建模法过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性 阶跃响应（阶跃响应（飞升曲线）法非常简单，只）法非常简单，只要有遥控阀和被控变量纪录仪表就可以进行。要有遥控阀和被控变量纪录仪表就可以进行。先使工况保持平稳一段时间，然后使阀门作先使工况保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式的变化（在阶跃式的变化（在10%20%以内），同时以内），同时把被控变量的变化过程记录下来，得到广义把被控变量的变化过程记录下来，得到广义对象的阶跃响应曲线。对象的阶跃响应曲线。手操器手操器无纸记录仪无纸记录仪过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性1.阶跃响应获取应注意的问阶跃响应获取应注意的问题题（1 1）合理选择阶跃扰动的幅度）合理选择阶跃扰动的幅度 (一般为额定负荷的一般为额定负荷的5%5%20%)20%)（2 2）实际阀门以有限速度移动）实际阀门以有限速度移动 认为阶跃信号是在认为阶跃信号是在t1/2时加入时加入（3 3）试验前确保被控对象处于稳定工况；）试验前确保被控对象处于稳定工况；考虑过程的非线性特性，应进行多次测试。考虑过程的非线性特性，应进行多次测试。（4 4）考虑到实际对象的非线性，实验时分别施加正）考虑到实际对象的非线性，实验时分别施加正方向和反方向扰动，以求真实掌握对象的动态特性；方向和反方向扰动，以求真实掌握对象的动态特性；（5 5）注意记录响应曲线的起始部分；）注意记录响应曲线的起始部分；（6 6）若不允许同一方向大扰动加入，则采用矩形脉）若不允许同一方向大扰动加入，则采用矩形脉冲扰动，再从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。冲扰动，再从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。三、阶跃响应确定传递函数三、阶跃响应确定传递函数过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应 脉冲响应法就是用实验的方法测取对象在矩形脉冲输入信脉冲响应法就是用实验的方法测取对象在矩形脉冲输入信号作用下，其输出量的变化规律。号作用下，其输出量的变化规律。优点：优点：幅值大、时间短，可达到幅值大、时间短，可达到20%30%，被控量的变，被控量的变化不会超过生产的允许值，化不会超过生产的允许值，所以测试结果具有较高的精度，但所以测试结果具有较高的精度，但数据处理较为复杂，需要进行相应的转换数据处理较为复杂，需要进行相应的转换。将将矩形脉冲矩形脉冲u(t)分解成两个阶跃信号的叠加，幅值相同，方分解成两个阶跃信号的叠加，幅值相同，方向相反，且相差时间向相反，且相差时间t u(t)u(t)u2(t)tt0+tt0u1(t)t过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性线性范围内脉冲响应为两个线性范围内脉冲响应为两个阶跃响应之和阶跃响应之和则单位阶跃响应为则单位阶跃响应为矩形输入脉冲表示为矩形输入脉冲表示为将响应曲线按间隔将响应曲线按间隔t 等分，等分，用做图法得到阶跃响应曲线。用做图法得到阶跃响应曲线。tt过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性2.确定自衡对象传递函数确定自衡对象传递函数 一阶惯性环节一阶惯性环节用有理分式表示的传递函数用有理分式表示的传递函数 选择哪种传递函数的形式，可依据以下两点：选择哪种传递函数的形式，可依据以下两点：对被控对象的验前知识、对数学模型准确性的要求对被控对象的验前知识、对数学模型准确性的要求二阶或二阶或n n阶惯性环节阶惯性环节过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性（1）确定）确定参数参数的作图法的作图法t1/2处为扰动起点处为扰动起点；找响应曲线拐点，并作切线；找响应曲线拐点，并作切线；记交点记交点a、b和和c cab起点到起点到a的距离为的距离为a点到点到c点的距离为点的距离为T 增益为增益为Kct0t0=t1/2过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性（2）确定）确定参数的两点法参数的两点法若将响应曲线化为若将响应曲线化为无因次无因次形式形式 增益为增益为K则输出响应可表示为则输出响应可表示为过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性有两个辨识参数，则取有两个辨识参数，则取两个点数据就可拟和，两个点数据就可拟和，取取由上式可解得由上式可解得过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性若取若取y*(t1)=0.39，取，取y*(t2)=0.63，记，记t1和和t2取取验证验证起点到起点到a的距离的距离为为a点到点到c点的距离点的距离T为为过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性（3）确定）确定参数的两点方法参数的两点方法将响应曲线化无因次量并去掉纯迟将响应曲线化无因次量并去掉纯迟延得到延得到y*(t)增益为增益为K相应的阶跃响应为相应的阶跃响应为过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性取取y*(t1)=0.4，取，取y*(t2)=0.8，记，记t1和和t2若若0.320.46，则为高阶对象，则为高阶对象(high-ordermodel)其中其中n可查表求得可查表求得T由下式确定由下式确定nt1/t2nt1/t210.31780.68420.46090.69930.534100.71240.584110.72450.618120.73460.640130.74870.666140.751过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性例：一大型加例：一大型加热炉的在某炉的在某稳定工况下做定工况下做对象特性象特性试验，切到手，切到手动状状态，将燃气，将燃气阀门开度增加开度增加u=15%=15%、并持并持续t=1min=1min后后结束，束，则记录炉内温度炉内温度变化数据化数据如下表如下表t（min）012345678910y02.557.50152118.4014.50129.607.405.80t（min）1112131415161718192021y4.503.703.002.301.701.200.800.500.400.200.10根据根据该实验数据数据选择一定的辨一定的辨识方法建立加方法建立加热炉炉对象的模型。象的模型。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性根据矩形脉冲响根据矩形脉冲响应数据数据y，得到，得到阶跃响响应数据数据ys，并，并进行相行相应的的归一化一化处理，理，则得得单位位阶跃响响应数据数据y*，如下表，如下表t012345678910y02.557.50152118.4014.50129.607.405.80ys02.5510.0525.0546.0564.4578.9590.95100.55107.95113.75y*00.020.080.190.350.490.600.690.760.820.86t1112131415161718192021y4.503.703.002.301.701.200.800.500.400.200.10ys118.25121.95124.95127.25128.95130.15130.95131.45131.85132.05132.15y*0.890.920.950.960.980.980.990.991.001.001.00注意：注意：稳态值为过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性使用使用Matlab编辑编辑.m文件，通过给定的矩形脉冲响文件，通过给定的矩形脉冲响应求对象的阶跃响应，并用插值方法画出曲线。应求对象的阶跃响应，并用插值方法画出曲线。过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性将阶跃函数曲线归一化，得到单位阶跃响应如图将阶跃函数曲线归一化，得到单位阶跃响应如图从图中取从图中取y*(t1)=0.4，y*(t2)=0.8则则t1=258s;t2=522s;过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性因此使用三阶系统近似因此使用三阶系统近似 解得解得T=120.6s=120.6s由于由于纯延延迟为零，零，则对象象传递函数函数为 对象的增益象的增益为 由由图可知可知根据公式根据公式过程控制过程控制(process control）第一章第一章生产过程的动态特性生产过程的动态特性（4）确定有理分式参数的方法（面积方法）确定有理分式参数的方法（面积方法）定义定义由终值定理可知单位阶跃输入下输由终值定理可知单位阶跃输入下输出稳态值为出稳态值为又定义又定义则有：则有：其中其中y(t)是单位阶跃响应是单位阶跃响应过程控制过程控制(process control）第一