化工自动化及仪表 第二章

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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)的作用途径操纵变量、扰动变量被控变量 2.1过程特性的类型对象特性主要通过响应曲线来呈现控制通道的响应曲线：当操纵变量q(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：当扰动变量f(t)做阶跃变化（控制作用q(t)不变）时被控变量的时间特性c(t) 响应曲线的种类：(在阶跃扰动作用下)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，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等 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变化结束时的变化量之间的关系，是一个稳态特性参数。初始工作点：过程原有的稳定状态。生产负荷：过程的生产能力或处理量。。 在负荷不变的情况下，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。F 过程的放大系数是变化的，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大一些。 (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。 (2)扰动通道的放大系数KfKf该如何选择呢？Kf越大，说明在某一固定的△f下，被控变量的变化会大；反之亦然。很显然，希望Kf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对控制系统的影响希望To适中在相同的控制作用下，过程的时间常数To越大，To越小，被控变量的变化越缓慢。被控变量的变化越快。 （2）扰动通道时间常数Tf对控制系统的影响希望Tf大过程的时间常数Tf越大越好相当于对扰动信号进行滤波。对被控变量的影响越小 纯滞后τ定义：在过程的输入变量发生变化后，输出变量不是立即变化，而是隔一段时间才开始发生变化，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是由于信息的传递需要时间而引起的。物料传输 （1）可能源于被控变量c(t)至测量值y(t)的检测通道；（2）可能源于控制信号u(t)至操纵变量q(t)的一侧。 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都会遇到一定的阻力而引起的。容量滞后 （1）纯滞后对控制通道的影响希望τo小。纯滞后τ对系统控制过程的影响，是以其与时间常数的比值τ/T来衡量的。τ/T>(0.5~0.6)时，需用特殊控制规律。τ/T较大时，需要在一定程度上降低控制系统的控制指标才可以确保对系统的稳定控制。的过程较易控制； （2）纯滞后对扰动通道的影响对τo无要求。希望τc大。 2.4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解得到。但是在生产过程中，很多过程的数学模型是不易得到的。 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定的扰动，通过对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。 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响应曲线，根据响应曲线求得过程特性参数。 放大系数K=B/A时间常数T纯滞后τ一阶系统 放大系数K:K=[c(t)-c(0)]/A时间常数T:T=2、3之间的距离纯滞后τ:τ=1、2之间的距离二阶系统 阶跃扰动法简便易行、且比较直观、所以得到了广泛的应用。但是针对较复杂、扰动因素较多的过程，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。所以在实施扰动法时应该在系统相对稳定的情况下进行。 矩形脉冲扰动法周期扰动法统计相关法为了使分析变得简单，在利用实验法获得过程的动态特性时，将检测变送、控制阀和被控对象一起考虑的，这样相当于把控制系统当成两部分看待。