化工自動(dòng)化及儀表 第二章

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第二章過程特性華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動(dòng)化系 過程：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖過程特性：需要實(shí)現(xiàn)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程是指被控過程的輸入變量發(fā)生變化時(shí)，其輸出變量隨時(shí)間的變化規(guī)律。操縱變量、擾動(dòng)變量被控變量 研究過程特性的必要性：為了更好地實(shí)施控制 本章內(nèi)容：2.1過程特性的類型2.2過程的數(shù)學(xué)描述2.3過程特性的一般分析2.4過程特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法 2.1過程特性的類型通道：擾動(dòng)通道：控制通道：輸入變量對(duì)輸出變量的作用途徑操縱變量q(t)對(duì)被控變量c(t)的作用途徑擾動(dòng)變量f(t)對(duì)被控變量c(t)的作用途徑操縱變量、擾動(dòng)變量被控變量 2.1過程特性的類型對(duì)象特性主要通過響應(yīng)曲線來呈現(xiàn)控制通道的響應(yīng)曲線：當(dāng)操縱變量q(t)做階躍變化（擾動(dòng)f(t)不變）時(shí)被控變量的時(shí)間特性c(t)擾動(dòng)通道的響應(yīng)曲線：當(dāng)擾動(dòng)變量f(t)做階躍變化（控制作用q(t)不變）時(shí)被控變量的時(shí)間特性c(t) 響應(yīng)曲線的種類：(在階躍擾動(dòng)作用下)有自衡的非振蕩過程無自衡的非振蕩過程 有自衡的振蕩過程具有反向特性的過程 有自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程 無自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程 2.2過程的數(shù)學(xué)描述要研究被控過程的特性，就必須知道被控過程的數(shù)學(xué)模型，也就是對(duì)過程的數(shù)學(xué)描述。數(shù)學(xué)模型：表示具體過程的輸入、輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式。其形式有：微分方程式、偏微分方程式、狀態(tài)方程 2.2過程的數(shù)學(xué)描述蒸汽加熱器建立數(shù)學(xué)模型的方法：機(jī)理建模法、實(shí)驗(yàn)測(cè)定法能量平衡方程等 由前面的分析（略）可得：一階被控過程控制通道的動(dòng)態(tài)方程為：一階被控過程擾動(dòng)通道的動(dòng)態(tài)方程為：有純滯后 其中：分別為控制通道、擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)和放大系數(shù)；分別為被控變量增量、操縱變量增量和擾動(dòng)變量增量。 2.3過程特性的一般分析描述有自衡非振蕩過程的特性參數(shù)有放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T和時(shí)滯τ。放大系數(shù)K(1)控制通道的放大系數(shù)Ko(2)擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf (1)控制通道的放大系數(shù)Ko定義：在擾動(dòng)變量f(t)不變的情況下，被控變量的變化量Δc(t)與操縱變量的變化量Δq(t)在時(shí)間趨于無窮大時(shí)之比 控制通道的放大系數(shù)Ko反映了過程以初始工作點(diǎn)為基準(zhǔn)的被控變量與操縱變量在過程變化結(jié)束時(shí)的變化量之間的關(guān)系，是一個(gè)穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)。初始工作點(diǎn)：過程原有的穩(wěn)定狀態(tài)。生產(chǎn)負(fù)荷：過程的生產(chǎn)能力或處理量。。 在負(fù)荷不變的情況下，蒸汽量不同，達(dá)到平衡的出口溫度不同；反之，在蒸汽量相同，處理量（負(fù)荷）不同的情況下，達(dá)到平衡的出口溫度也不同。F 過程的放大系數(shù)是變化的，受負(fù)荷和工作點(diǎn)的影響。在相同的負(fù)荷下，Ko隨工作點(diǎn)的增大而減小；在相同的工作點(diǎn)下，Ko隨負(fù)荷的增大而減小。蒸汽加熱器的穩(wěn)態(tài)特性Ko該如何選擇呢？ 選擇Ko的原則：希望Ko大一些。 (2)擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf定義：在操縱變量q(t)不變的情況下，過程受到幅度為Δf的階躍擾動(dòng)作用，過程從原有穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)被控變量的變化量與擾動(dòng)幅度Δf之比。 (2)擾動(dòng)通道的放大系數(shù)KfKf該如何選擇呢？Kf越大，說明在某一固定的△f下，被控變量的變化會(huì)大；反之亦然。很顯然，希望Kf小。 時(shí)間常數(shù)T時(shí)間常數(shù)T是表征被控變量變化快慢的動(dòng)態(tài)參數(shù)?？刂七^程中時(shí)間常數(shù)的概念來源于電工學(xué)中時(shí)間常數(shù)的概念。在阻容環(huán)節(jié)的充電過程中，T=RC表征了充電過程的快慢。 定義1：在階躍外作用下，一個(gè)阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量完成全部變化量的63.2%所需要的時(shí)間,稱為該阻容環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。定義2：在階躍外作用下，一個(gè)阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量保持初始變化速度，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。 任何過程都具有儲(chǔ)存物料或能量的能力，如過程的容量有熱容、液容、氣容。因此，可以用過程容量系數(shù)C與阻力系數(shù)R的乘積來表征過程的時(shí)間常數(shù)。任何過程在物料或能量的傳遞過程中，也總是存在著一定的阻力，如熱阻、液阻、氣阻。 （1）控制通道時(shí)間常數(shù)To對(duì)控制系統(tǒng)的影響希望To適中在相同的控制作用下，過程的時(shí)間常數(shù)To越大，To越小，被控變量的變化越緩慢。被控變量的變化越快。 （2）擾動(dòng)通道時(shí)間常數(shù)Tf對(duì)控制系統(tǒng)的影響希望Tf大過程的時(shí)間常數(shù)Tf越大越好相當(dāng)于對(duì)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波。對(duì)被控變量的影響越小 純滯后τ定義：在過程的輸入變量發(fā)生變化后，輸出變量不是立即變化，而是隔一段時(shí)間才開始發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為純滯后（時(shí)滯）現(xiàn)象。具有純滯后時(shí)間的階躍響應(yīng)曲線定義中的純滯后包括了兩種滯后：純滯后、容量滯后。實(shí)際工業(yè)過程中的純滯后時(shí)間是指純滯后與容量滯后時(shí)間之和 純滯后τo是由于信息的傳遞需要時(shí)間而引起的。物料傳輸 （1）可能源于被控變量c(t)至測(cè)量值y(t)的檢測(cè)通道；（2）可能源于控制信號(hào)u(t)至操縱變量q(t)的一側(cè)。 容量滯后是多容量過程的固有特性，是由于物料或能量的傳遞都會(huì)遇到一定的阻力而引起的。容量滯后 （1）純滯后對(duì)控制通道的影響希望τo小。純滯后τ對(duì)系統(tǒng)控制過程的影響，是以其與時(shí)間常數(shù)的比值τ/T來衡量的。τ/T>(0.5~0.6)時(shí)，需用特殊控制規(guī)律。τ/T較大時(shí)，需要在一定程度上降低控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)才可以確保對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。的過程較易控制； （2）純滯后對(duì)擾動(dòng)通道的影響對(duì)τo無要求。希望τc大。 2.4過程特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法過程特性參數(shù)可以由過程的數(shù)學(xué)模型通過求解得到。但是在生產(chǎn)過程中，很多過程的數(shù)學(xué)模型是不易得到的。 工程上一般用實(shí)驗(yàn)方法來測(cè)定過程特性參數(shù)。最簡(jiǎn)便的方法就是直接在原設(shè)備或機(jī)器中施加一定的擾動(dòng)，通過對(duì)該過程的輸出變量進(jìn)行測(cè)量和記錄，然后通過分析整理得到過程特性參數(shù)。 階躍擾動(dòng)法（反應(yīng)曲線法）當(dāng)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在過程的輸入端施加一個(gè)幅度已知的階躍擾動(dòng)，測(cè)量和記錄過程輸出變量的數(shù)值，畫出輸出變量隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線，根據(jù)響應(yīng)曲線求得過程特性參數(shù)。 放大系數(shù)K=B/A時(shí)間常數(shù)T純滯后τ一階系統(tǒng) 放大系數(shù)K:K=[c(t)-c(0)]/A時(shí)間常數(shù)T:T=2、3之間的距離純滯后τ:τ=1、2之間的距離二階系統(tǒng) 階躍擾動(dòng)法簡(jiǎn)便易行、且比較直觀、所以得到了廣泛的應(yīng)用。但是針對(duì)較復(fù)雜、擾動(dòng)因素較多的過程，會(huì)影響測(cè)試精度；另外，由于工藝條件的限制，階躍擾動(dòng)幅度不能太大。所以在實(shí)施擾動(dòng)法時(shí)應(yīng)該在系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定的情況下進(jìn)行。 矩形脈沖擾動(dòng)法周期擾動(dòng)法統(tǒng)計(jì)相關(guān)法為了使分析變得簡(jiǎn)單，在利用實(shí)驗(yàn)法獲得過程的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，將檢測(cè)變送、控制閥和被控對(duì)象一起考慮的，這樣相當(dāng)于把控制系統(tǒng)當(dāng)成兩部分看待。