《过程动态特性》PPT课件.ppt

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1、第二章 过程动态特性2.1 典型化工过程的动态特性过程特性定义：过程特性定义：指被控过程输入量发生变化时，过程输出量的变指被控过程输入量发生变化时，过程输出量的变化规律。化规律。被控过程常见种类：换热器、锅炉、精馏塔、化学反应器、换热器、锅炉、精馏塔、化学反应器、贮液槽罐、加热炉等贮液槽罐、加热炉等 被控变量（输出量）扰动变量（输入量）操纵变量（输入量）通道被控过程的输入量与输出量之间的信号联系被控过程的输入量与输出量之间的信号联系被控过程的输入量与输出量之间的信号联系被控过程的输入量与输出量之间的信号联系 控制通道控制通道-操纵变量至被控变量的信号联系操纵变量至被控变量的信号联系扰动通道扰动

2、通道-扰动变量至被控变量的信号联系扰动变量至被控变量的信号联系过程特性的类型 1.1.自衡的非振荡过程自衡的非振荡过程 2.2.无自衡的非振荡过程无自衡的非振荡过程 3.3.有自衡的振荡过程有自衡的振荡过程 4.4.具有反向特性的过程具有反向特性的过程多数工业过程的特性可分为下列四种类型：（过程特性通常在阶跃信号的作用下的表现）1.自衡的非振荡过程在阶跃信号的作用下，被控变量在阶跃信号的作用下，被控变量C(t)不经振荡，逐渐向新的稳不经振荡，逐渐向新的稳态值态值C()靠拢。靠拢。过程特性的类型C(t)t C()自衡的非振荡过程过程特性的类型如图所示的通过阀门阻力排液的液位系统如图所示的通过阀门

3、阻力排液的液位系统例如h Q1 Q2 t t h Q1 液位系统液位系统 液位变化曲线液位变化曲线过程特性的类型2.无自衡的非振荡过程 在阶跃信号的作用下，被控变量在阶跃信号的作用下，被控变量C(t)会一直上升或下降，会一直上升或下降，直到极限值直到极限值。C(t)t 无自衡的非振荡过程无自衡的非振荡过程 放热化学反应过程的温度放热化学反应过程的温度过程特性的类型3.有自衡的振荡过程 在阶跃信号的作用下，被控变量在阶跃信号的作用下，被控变量C(C(t t)会上下振荡，且振荡的幅值逐会上下振荡，且振荡的幅值逐渐减小，最终能趋近新的稳态值。有自衡的振荡过程的响应曲线如图所渐减小，最终能趋近新的稳态

4、值。有自衡的振荡过程的响应曲线如图所示。在控制过程中，这类过程不多见，它们的控制也比第一类过程困难示。在控制过程中，这类过程不多见，它们的控制也比第一类过程困难一些。一些。C(t)t 有自衡的振荡过程有自衡的振荡过程 过程特性的类型 4.具有反向特性的过程 在阶跃信号的作用下，被控变量C(t)先升后降或先降后升，即阶跃响应在初始情况与最终情况方向相反。C(t)t 具有反向特性的过程 2.2过程数学模型的建立（机理建模）p所谓研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输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入量与输出量之间的关系数学建模数学建模。n对象的数学模

5、型对象的数学模型：对象特性的数学描述；：对象特性的数学描述；p对象的数学模型可以分为静态数学模型和动态数学模型。对象的数学模型可以分为静态数学模型和动态数学模型。n静态数学模型静态数学模型描述的是对象在稳定时（静态）的输入与输出关系；描述的是对象在稳定时（静态）的输入与输出关系；n动态数学模型动态数学模型描述的是在输入量改变以后输出量跟随变化的规律；描述的是在输入量改变以后输出量跟随变化的规律；过程的输入是控制作用过程的输入是控制作用u（t）或扰动作用）或扰动作用f（t）输出是被控变量（输出是被控变量（t）p过程数学模型是研究系统行为的基础。过程数学模型是研究系统行为的基础。p建模目的9（1）

6、控制系统的方案设计（2）控制系统的调试和控制器参数的确定 （3）制定工业过程操作优化方案 （4）新型控制方案及控制算法的确定（5）计算机仿真与过程培训系统 （6）设计工业过程的故障检测与诊断系统 2.2过程数学模型的建立（机理建模）用数学方程式来表示，如微分方程（差分方程）、传递函数、用数学方程式来表示，如微分方程（差分方程）、传递函数、状态空间表达式等。本节所涉及的模型均为用微分方程描述的状态空间表达式等。本节所涉及的模型均为用微分方程描述的线性定常动态模型。线性定常动态模型。过程数学模型的建立（机理建模）数学模型类型数学模型类型非参数模型非参数模型用曲性或数据表格来表示，如阶跃响应曲线、脉

7、冲响用曲性或数据表格来表示，如阶跃响应曲线、脉冲响应曲线和频率特性曲线应曲线和频率特性曲线特点：形象、清晰，易看出定性特性，但缺乏数学方特点：形象、清晰，易看出定性特性，但缺乏数学方程的解析性质，一般由试验直接获取。程的解析性质，一般由试验直接获取。参数模型参数模型对于线性的集中参数对象对于线性的集中参数对象 通常可用常系数线性微分方程式来描述，如果以x（t）表示输入量，y（t）表示输出量，则对象特性可用下列微分方程式来描述在允许的范围内，多数化工对象动态特性可以忽略输入量的导数项可表示为 2.2过程数学模型的建立过程数学模型的建立建立数学模型的基本方法建立数学模型的基本方法机理分析法机理分析

8、法 通过对过程内部运动机理的分析，根据其物理或化学变化规律，通过对过程内部运动机理的分析，根据其物理或化学变化规律，在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后得到过程特性方程，其在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后得到过程特性方程，其表现形式往往是微分方程或代数方程。如物料平衡、能量平衡等，表现形式往往是微分方程或代数方程。如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程。这种方法以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程。这种方法完全依赖于足够的先验知识，所得到的模型称为机理模型。完全依赖于足够的先验知识，所得到的模型称为机理模型。由过程的输入输出数据确定模型的结

9、构和参数。这种方法不需由过程的输入输出数据确定模型的结构和参数。这种方法不需要过程的先验知识，把过程看作一个黑箱。但该方法必须在已经要过程的先验知识，把过程看作一个黑箱。但该方法必须在已经建立了过程后才能进行，而且得到的结果无法类推至设备尺寸和建立了过程后才能进行，而且得到的结果无法类推至设备尺寸和型号不同的情况。型号不同的情况。实验测试法实验测试法p机理建模对于某些对象，人们还难以写出它们的数学表达式，或者表达式中的某些系数还难以确定时，不能适用。具有非常明确的物理意义，所得的模型具有很大的适应性，便于对模型参数进行调整。概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。优点优点缺点缺点过程数学模

10、型的建立机理分析法：机理分析法：机理分析法是通过对过程内部机理的分析，推导出描述过程输入输机理分析法是通过对过程内部机理的分析，推导出描述过程输入输出变量之间关系的数学模型。出变量之间关系的数学模型。针对不同的物理过程，可采用不同的定理定律。针对不同的物理过程，可采用不同的定理定律。如电路采用欧姆定律和可希霍夫定律；如电路采用欧姆定律和可希霍夫定律；机械运动采用牛顿定律；机械运动采用牛顿定律；流体运动采用质量守恒和能量守恒定律；流体运动采用质量守恒和能量守恒定律；传热过程采用能量转化和能量守恒定律等。传热过程采用能量转化和能量守恒定律等。微分方程建立的步骤归纳如下：微分方程建立的步骤归纳如下：

11、根据实际工作情况和生产过程要求，以及建模的对象和模型使用的目的根据实际工作情况和生产过程要求，以及建模的对象和模型使用的目的进行合理的假设进行合理的假设 ，确定过程的输入变量和输出变量。，确定过程的输入变量和输出变量。依据过程的内在机理，利用适当的定理定律，建立原始方程式。依据过程的内在机理，利用适当的定理定律，建立原始方程式。确定原始方程式中的中间变量，列写中间变量与其他因素之间的关系。确定原始方程式中的中间变量，列写中间变量与其他因素之间的关系。消除中间变量，即得到输入、输出变量的微分方程。消除中间变量，即得到输入、输出变量的微分方程。若微分方程是非线性的，需要进行线性化处理。若微分方程是

12、非线性的，需要进行线性化处理。标准化。即将与输入有关的各项放在等号右边，与输出有关的各项放在标准化。即将与输入有关的各项放在等号右边，与输出有关的各项放在等号左边，并按将幂排序。等号左边，并按将幂排序。过程数学模型的建立过程数学模型的建立RCuo试列写图所示RC无源网络的动态数学模型。设ui 为输入变量，uo为输出变量。解解 确定过程的输入变量和输出变量：依题意，ui 为输入变量，uo为输出变量。建立原始微分方程：根据电路理论中得可希霍夫定律，可有：（1）Ui例题例题1过程数学模型的建立在上式中，令RC=T 则上式可写成如下形式 消除中间变量 i：将上式代入（1）式，即可得 确定中间变量确定中

13、间变量，列写中间变量与其他因素之间的关系：，列写中间变量与其他因素之间的关系：上式中，上式中，i i为中间变量。电容上电流与电压的关系为：为中间变量。电容上电流与电压的关系为：一阶对象一阶对象过程数学模型的建立如图所示为一测温热电偶，它可将被测温度转换为热电势如图所示为一测温热电偶，它可将被测温度转换为热电势E E。图中介质的温度为图中介质的温度为TiTi，热电偶热端温度为，热电偶热端温度为ToTo。试列写热。试列写热电偶的微分方程。电偶的微分方程。E+-T0Ti确定输入变量和输出变量确定输入变量和输出变量 输入变量输入变量-介质的温度为介质的温度为TiTi，输出变量输出变量-热端温度为热端温

14、度为T0T0。根据能量守恒定律：根据能量守恒定律：单位时间传入的热量单位时间传入的热量单位时间传出的热量单位时间传出的热量=单位时间热量的变化量单位时间热量的变化量热电偶的原始微分方程式为热电偶的原始微分方程式为 式中 Qi为被测介质以对流方式传给热端的热量；Qo为热端通过热电极传导出的热量；C为热电偶热端的热容。例题例题2解解 建立原始微分方程建立原始微分方程过程数学模型的建立 确定中间变量确定中间变量，列写中间变量与其他因素之间的关系从上式可知，列写中间变量与其他因素之间的关系从上式可知，Q Qi i 和和Q Qo o为中间变量。由传热速率方程可得为中间变量。由传热速率方程可得 式中式中

15、k k为介质对热端的导热系数；为介质对热端的导热系数；A A为热端的表面积；为热端的表面积；R R为介质对热端的热阻。为介质对热端的热阻。当热电极插入介质有足够深度时，通过热传导传出的热量很少，可忽略不当热电极插入介质有足够深度时，通过热传导传出的热量很少，可忽略不计，即计，即 消除中间变量消除中间变量,得到微分方程将上式整理后有：得到微分方程将上式整理后有：热电偶的动态数学模型也是一个一阶常系数线性微分方程。热电偶的动态数学模型也是一个一阶常系数线性微分方程。n 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程流体运动方程：对象机理建模举例#3对象机理建模举例#3(续)线性化：一阶过程的描述p一阶

16、过程通常的描述方式为：过程增益K时间常数Tsimulink仿真无振荡的自衡过程K反映了输出变化的幅度simulink仿真（续）时间常数T反映了输出变化的快慢对象机理建模举例#4n 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程流体运动方程：simulink仿真无振荡的自衡过程工程上常见的二阶过程高阶过程机理建模举例#5物料平衡方程：无振荡的非自衡过程例：一阶对象由体积守恒可得：(Q1-Q2)dt=Adh其中：Q2h/RsRS局部阻力项由此可得：RS Q1=h+A Rs(dh/dt)或:K Q1=h+T(dh/dt)hQ1Q2例：积分对象由体积守恒可得：(Q1-Q2)dt=Adh其中：Q2=CC常数

17、由此可得：Q1=Q2+A(dh/dt)或:h=(1/A)(Q1-C)dthQ1Q2例：二阶对象由体积守恒可得：(Q1-Q12)dt=A1dh1(Q12-Q2)dt=A2dh2由此可得：R2 Q1=h2+(A1 R2+A2 R2)(dh2/dt)+A1 R2 A2 R2(d2h2/dt2)或:KQ1=h2+(T1+T2)(dh2/dt)+T1 T2(d2h2/dt2)h1Q1Q12Q2h2p实验建模定定义义：通过这种应用对象的输入输出的实测数据来决定其模型的结构和参数。特特点点：把被研究的对象视为一个黑匣子，完全从外部特性上来测试和描述它的动态特性，不需要深入了解其内部机理。系统辨识系统辨识在需

18、要建立数学模型的被控过程上，人为的施加一个扰动作用，然后用仪在需要建立数学模型的被控过程上，人为的施加一个扰动作用，然后用仪表测量并纪录被控变量随时间变化的曲线，这条曲线既是被控过程的特性表测量并纪录被控变量随时间变化的曲线，这条曲线既是被控过程的特性曲线。将曲线进行分析、处理，就可得到描述过程特性的数学表达式曲线。将曲线进行分析、处理，就可得到描述过程特性的数学表达式。常用的测试方法常用的测试方法：1.1.阶跃信号法阶跃信号法 2.2.矩形脉冲法矩形脉冲法实验性能的测试方法实验性能的测试方法1.阶跃响应曲线法阶跃响应曲线法用实验的方法测取对象在阶跃输入作用下，输出量y随时间的变化规律。简单水

19、槽对象水槽的阶跃响应曲线优点优点简单缺点缺点稳定时间长测试精度受限简单水槽的动态特性简单水槽的动态特性举例举例2.矩形脉冲法矩形脉冲法 当对象处于稳定工况下，在时间t0突然加一阶跃干扰，幅值为A，到t1时突然除去阶跃干扰，这时测得的输出量y随时间的变化规律，称为对象的矩形脉冲特性，而这种形式的干扰称为矩形脉冲干扰。此外，还可以采用矩形脉冲波和正弦信号。矩形脉冲特性曲线 矩形脉冲波信号 正弦信号p混合建模 先由机理分析的方法提供数学模型的结构形式，然后对其中某些未知的或不确定的参数利用实测的方法给予确定。这种在已知模型结构的基础上，通过实测数据来确定其中的某些参数，称为参数估计。举例举例 以换热

20、器建模为例，可以先列写出其热量平衡方程式，而其中的换热系数K值等可以通过实测的试验数据来确定。途径工业过程控制对象的特点工业过程控制对象的特点p除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；p对象动态特性存在不同程度的纯迟延；p对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢；p被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。2.3 测量变送环节p测量测量是为取得任一未知参数而做的全部工作。是为取得任一未知参数而做的全部工作。p用来检测参数的技术工具称为用来检测参数的技术工具称为检测仪表检测仪表。p用来将被测参数转换为一定的便于传送的信号的仪表通常称用来将被测参数转换为一定的便

21、于传送的信号的仪表通常称为为传感器传感器。(传感器（Transducer/Sensor）：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。)p当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常当传感器的输出为单元组合仪表中规定的标准信号时，通常称为称为变送器变送器。（的气信号、。（的气信号、4-20mA的电信号）的电信号）p参数检测参数检测：将被测参数经过一次或多次能量的交换，获得一：将被测参数经过一次或多次能量的交换，获得一种便于显示和传递的信号的过程。种便于显示和传递的信号的过程。p测量过程在实质上都是将被测参数与其相应的测量单位进行测量过程在实质上都是将被测参数与其相

22、应的测量单位进行比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。比较的过程，而测量仪表就是实现这种比较的工具。p一般地，一般地，对测量变送环节做线性处理后，可表示为一阶加纯对测量变送环节做线性处理后，可表示为一阶加纯滞后环节滞后环节检测系统的构成被测参数敏感元件信号变换信号传输信号测量显示记录控制传感器测量电路输出单元被测量传感器的组成敏感元件 直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量转换元件 敏感元件的输出就是它的输入，抟换成电路参量转换电路 上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出敏感元件转换元件转换电路被测量电量传感器常用的基础效应p1光电效应光电效应p光电式传感器是能将光

23、能转换为电能的一种器件，简称光电器件。它的光电式传感器是能将光能转换为电能的一种器件，简称光电器件。它的物理基础是光电效应。在现代测量与控制系统中，应用非常广泛。物理基础是光电效应。在现代测量与控制系统中，应用非常广泛。p用光电器件测量非电量时，首先要用光电器件测量非电量时，首先要将非电量的变化转换为光量将非电量的变化转换为光量的变化，的变化，然后通过光电器件的作用，就可以然后通过光电器件的作用，就可以将非电量的变化转换为电量将非电量的变化转换为电量的变化了。的变化了。p1）外光电效应：）外光电效应：在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。p这类光电器件

24、有：光电管、光电倍增管。这类光电器件有：光电管、光电倍增管。p2）内光电效应：）内光电效应：在光线作用下能使物体电阻率改变的现象。在光线作用下能使物体电阻率改变的现象。p这类光电器件有：光敏电阻这类光电器件有：光敏电阻p3）阻挡层光电效应）阻挡层光电效应(光生伏打效应光生伏打效应)：在光线作用下能使物体产生一：在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势。定方向的电动势。p这类光电器件有：光电池、光敏晶体管这类光电器件有：光电池、光敏晶体管。热电效应p在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为塞贝克电势。这个物理现象称为热电效应。p后来研究指出，热电效应产

25、生的电势是由珀尔帖(Peltier)效应（接触电势）和汤姆逊(Thomson)效应（温差电势）引起的。压电效应p某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。而具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。p在片状压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象。压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。应变效应 p金属丝的电阻随着它所受的机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生相应的变化的现象

26、称为金属的电阻应变效应。压阻效应p基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效应”。p半导体应变片的优点是尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大，因而输出也大，可以不需放大器直接与记录仪器连接，使得测量系统简化。它们的缺点是电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测量较大应变时非线性严重；电磁效应p置于磁场中的通电导体或半导体所产生的各种物理现象称为电磁效应p电感式传感器是建立在电磁感应基础上，利用线圈电感或互感的改变来实现非电量电测的。p基于电磁感应强度的传感器称为磁电式传感器 测量误差的产生与分类 由于测量工具、环境影响、人为原因等，测量值与被测量真值总有差距；指由仪表读得的被测值指

27、由仪表读得的被测值与被测量真值之间的差距。与被测量真值之间的差距。p按误差的单位分：绝对误差、相对误差按误差的单位分：绝对误差、相对误差 （误差的表示方法）（误差的表示方法）p按误差出现的规律分（性质）：系统误差、随机按误差出现的规律分（性质）：系统误差、随机误差、（缓变误差）、粗大误差（疏忽）误差、（缓变误差）、粗大误差（疏忽）p按使用时工作条件分：基本误差、附加误差按使用时工作条件分：基本误差、附加误差a仪表本身的误差、b仪表安装不当、c测量环节动态误差测量信号的处理p呈周期性的脉动信号呈周期性的脉动信号低通滤波低通滤波 输送设备的往复运动如活塞式压缩机出口压力输送设备的往复运动如活塞式压

28、缩机出口压力 往复泵输送液体的流量往复泵输送液体的流量p测量噪声测量噪声低通滤波低通滤波p线性化处理线性化处理举例举例举例举例以以DDZ-DDZ-型电动力矩平衡压力变送器为例型电动力矩平衡压力变送器为例 图DDZ-型电动力矩平衡压力变送器示意图1测量膜片；2轴封膜片；3主杠杆；4矢量机构 5量程调整螺钉；6连杆；7副杠杆；8检测片（衔铁）；9差动变压器；10反馈动圈；11放大器；12调零弹簧；13永久磁钢 DDZ-DDZ-型系列为直流型系列为直流24V供电，输出供电，输出420mA（DC）,两线制，安全防爆。两线制，安全防爆。2.4 执行器（控制阀、调节阀）作用作用作用作用 接收控制器送来的控

29、制信号，改变被控介质的流量，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。将控制器的输出转化为对被操作对象的实际操作（动作）按能源形式分类按能源形式分类按能源形式分类按能源形式分类p 气动执行器 以气压为动力，推动机构动作p 电动执行器 以电动机作为动力源，推动机构动作p 液动执行器 以液压站提供的流体（液压油）高压为动力源，推动机构动作执行器执行器执行器执行器气动执行器结结结结构构构构执行执行执行执行结构结构结构结构 执行器的推动装置，它按控制信号压力的大小产生相应的推力，推动控制机构动作，所以它是将信号压力的大小转换为阀杆位移的装置。控制控制控制控制机构机构机构机构 执行器的控制部分，

30、它直接与被控介质接触，控制流体的流量。所以它是将阀杆的位移转换为流过阀的流量的装置。气动调节阀的结构气动调节阀的结构u(t)：控制器输出 (420 mA 或 010 mA DC)；pc：调节阀气动控制信号；l：阀杆相对位置；f：相对流通面积；q：受调节阀影响的管路相对流量。电-气转换器按力矩平衡原理工作按力矩平衡原理工作按力矩平衡原理工作按力矩平衡原理工作可用电动控制器输出的010 mA DC或420 mA DC信号去操纵气动执行机构；电-气转换器原理结构图1喷嘴挡板；2调零弹簧；3负反馈波纹管；4十字弹簧；5正反馈波纹管；6杠杆；7测量线圈；8磁钢；9铁芯；10放大器（气动）气源pI调节阀的

31、理想流量特性调节阀的理想流量特性调节阀理想流量特性调节阀理想流量特性：在不考虑控制阀前后压差变化时，通过控制阀的相对流量和阀门相对开度之间的函数关系。f 为相对流量；l 为相对开度：n 线性阀线性阀（1）：在流量小时，流量变化的相对值大；在流量大时，流量变化的相对值小。调节阀的理想流量特性调节阀的理想流量特性（4 4 4 4）抛物线流量特性）抛物线流量特性）抛物线流量特性）抛物线流量特性（3 3）快开特性）快开特性）快开特性）快开特性 快开特性的阀芯形式是平板形的，适用于迅速启闭的切断阀或双位控制系统。这种流量特性在开度较小时就有较大流量，随开度的增大，流量很快就达到最大。（2）等百分比阀或称

32、对数阀等百分比阀或称对数阀：（指单位相对行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系。）R R R R为为为为控控控控制制制制阀阀阀阀的的的的可可可可调调调调范围或可调比范围或可调比范围或可调比范围或可调比 控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性控制阀的理想流量特性不同流量特性的阀芯形状1快开；2直线；3抛物线；4等百分比调节阀的工作流量特性分析调节阀的工作流量特性分析阀阻比阀阻比 S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即 在实际生产中，控制阀前后压差总是变化的，这时的流量特性称为工作流量特性。工作流量特性。串联管道的工作流量特性串联管道的工作流量特

33、性串联管道的工作流量特性串联管道的工作流量特性调节阀工作流量特性（续）调节阀工作流量特性（续）线性阀的特性变异对数阀的特性变异并联管道的工作流量特性并联管道的工作流量特性并联管道的工作流量特性并联管道的工作流量特性 控制阀一般都装有旁路，以便手动操作和维护。当生产量提高或控制阀选小了时，只好将旁路阀打开一些，此时控制阀的理想流量特性就改变成为工作特性。并联管道的情况如如图图 所所示示，显显然然这这时时管管路路的的总总流流量量Q是是控控制制阀阀流流量量Q1与与旁旁路路流流量量Q2之之和和，即即QQ1Q2。调节阀工作流量特性（续）调节阀工作流量特性（续）并联管道的工作流量特性并联管道的工作流量特性

34、并联管道的工作流量特性并联管道的工作流量特性 以x代表并联管道时控制阀全开时的流量Q1max与总管最大流量Qmax之比，可以得到在压差p为一定时，而x为不同数值时的工作流量特性曲线。并联管道时控制阀的工作特性调节阀流量特性总结调节阀流量特性总结n 线性阀：线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50 70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。n 对数阀：对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少，Kv 渐近于常数。串、并联管道都会使阀的理想流量特性发生畸变，串联

35、管道的影响尤为严重。串、并联管道都会使控制阀的可调范围降低，并联管道尤为严重。串联管道使系统总流量减少，并联管道使系统总流量增加。串、并联管道会使控制阀的放大系数减小，即输入信号变化引起的流量变化值减少。一般，S不低于；x不低于0.8 注意注意注意注意调节阀流量特性的选择调节阀流量特性的选择 仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0.60 以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。结构形式选择结构形式选择结构形式选择结构形式选择 主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、黏度等）来选择。特性选择特性选择特性选择特性选择 先按

36、控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。阀门的阀门的“气开气开”与与“气关气关”1.气开阀与气关阀气开阀与气关阀2.有压力信号时阀关、无信号压力时阀开的为气关式。反之，为气开式。*气开阀：pc f (“有气则开”)*气关阀：pc f (“有气则关”)无气源(pc=0)时，气开阀全关，气关阀全开。2.气开阀与气关阀的选择原则气开阀与气关阀的选择原则 *主要从工艺生产上安全要求出发。若无气源时，希望阀全关（危害性小），则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。调节阀的气开气关选择控制阀口径的选择控制

37、阀口径的选择控制阀口径的选择控制阀口径的选择 口径选择得过小，会使流经控制阀的介质达不到所需要的最大流量。口径选择得过大，会浪费设备投资，且使控制阀经常处于小开度工作，控制性能变差，易使控制系统变得不稳定。控制阀的口径选择是由控制阀流量系数控制阀的口径选择是由控制阀流量系数C值决定的。流值决定的。流量系数量系数C的定义为：当阀两端压差为的定义为：当阀两端压差为100100kPa，流体密度为，流体密度为1 1g/cm3，阀全开时，每小时流经控制阀的流体流量。，阀全开时，每小时流经控制阀的流体流量。2.5“广义对象”及经验建模方法特点：（1）使控制系统的设计与分析简化；（2）广义对象的输入输出通常

38、可测量，以便于 测试其动态特性；（3）只关心某些特定的输入输出变量。“广义对象”的概念广义对象的描述可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：即K、T、的实验方法获得对象特性的实验研究方法p多点拟合法多点拟合法n在调节量的全部变化范围内，按一定规律依次取值实验，分别记录被调参在调节量的全部变化范围内，按一定规律依次取值实验，分别记录被调参数变化规律，并进而分析各种静态特性和动态特性参数。数变化规律，并进而分析各种静态特性和动态特性参数。优点优点：结果比较准确。：结果比较准确。缺点缺点：时间长，代价大。：时间长，代价大。p阶跃反应曲线法阶跃反应曲线法n通过调节量的一个阶跃变化寻找对象的动态特性。通过调

39、节量的一个阶跃变化寻找对象的动态特性。优点优点：简单易行。：简单易行。缺点缺点：精度低。：精度低。p周期脉冲法周期脉冲法n通过调节量的周期变化（矩形波或正弦变化），获取对象的动、静态特性。通过调节量的周期变化（矩形波或正弦变化），获取对象的动、静态特性。优点优点：能反应条件波动时的结果。：能反应条件波动时的结果。缺点缺点：不能用于大滞后系统。：不能用于大滞后系统。过程增益的计算过程的时间常数过程的时间滞后阶跃响应测试法1n 对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为：阶跃响应测试法2广义对象矩形脉冲响应测试法矩形脉冲矩形脉冲输入输入 目的目的：可对过程施加较大幅度扰动，又不：可对过程施加较大幅度

40、扰动，又不 扰动正常生产扰动正常生产 控制器输出控制器输出:u u（t t）=u1=u1（t t）-u1-u1（t-tt-t）阶跃响应阶跃响应:y1 y1（t t）=y=y（t t）+y 1+y 1（t-tt-t）时间轴按t分成n等分，0t0+t，重合y1（t0+2t）=y（t0+2t）+y1（t0+t）1.实验应在其它条件相对相对稳定时进行；实验应在其它条件相对相对稳定时进行；2.条件变化与结果记录应同时进行，以便分析滞后时间；条件变化与结果记录应同时进行，以便分析滞后时间；3.实验结果的记录应持续到输出量达到稳定态为止；实验结果的记录应持续到输出量达到稳定态为止；4.尽可能增加实验点数，必

41、要时可进行重复实验，以提高精度；尽可能增加实验点数，必要时可进行重复实验，以提高精度；5.对实验数据中的奇异点，要认真分析，尽量排除。对实验数据中的奇异点，要认真分析，尽量排除。6.注意实验中的异常变化，必要时做好预防措施，以策安全。注意实验中的异常变化，必要时做好预防措施，以策安全。对象特性实验注意事项对象特性实验注意事项2.6 描述过程特性的参数1.放大系数K：冷物料热物料蒸汽QQWWtt数学表达式 a 蒸汽加热器系统 b 温度响应曲线静态特性参数静态特性参数描述过程特性的参数 放大系数放大系数K K对系统的影响对系统的影响放大系数越大，操纵变量的变化对被控变量的影响就越大，控制作用放大系

42、数越大，操纵变量的变化对被控变量的影响就越大，控制作用对扰动的补偿能力强，有利于克服扰动的影响，余差就越小；反之，放对扰动的补偿能力强，有利于克服扰动的影响，余差就越小；反之，放大系数小，控制作用的影响不显著，被控变量变化缓慢。但放大系数过大系数小，控制作用的影响不显著，被控变量变化缓慢。但放大系数过大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统稳定性下降。大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统稳定性下降。控制通道 当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变量的波动就当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数小，即使扰动较大，对被会很大

43、，使得最大偏差增大；而放大系数小，即使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。控变量仍然不会产生多大影响。扰动通道描述过程特性的参数2.时间常数T以图直接蒸汽加热器为例，假设蒸汽流量作阶跃变化，阶跃幅值为Q，热物料出口温度W(t)随蒸汽流量变化的曲线可用方程式表示 时间常数是动态参数，用来表征被控变量的快慢程度。TW0.632W()W()t0式中：T为时间常数。时间常数：时间常数：在阶跃输入作用下，被控变量达到新的稳态值的在阶跃输入作用下，被控变量达到新的稳态值的 63.2%63.2%时所需要的时间时所需要的时间。（惯性系统）（惯性系统）描述过程特性的参数令t=T，则上式变为：TW0.632

44、W()W()t0描述过程特性的参数将上式对时间求导，可得：由上式可以看出，被控变量的变化速度随时间的增长而逐渐变慢。在t=0时有：时间常数时间常数物理意义物理意义：当过程当过程受到阶跃输入作用后，受到阶跃输入作用后，被控变量保持初始速度被控变量保持初始速度变化，达到新的稳态值变化，达到新的稳态值所需要的时间。所需要的时间。温度变化的初始速度TW0.632W()W()t0理论上讲，只有当时间理论上讲，只有当时间tt时，被控变量才能达到稳态值。然而，时，被控变量才能达到稳态值。然而，由于被控变量变化的速度越来越慢，达到稳态值需要比由于被控变量变化的速度越来越慢，达到稳态值需要比T T长得多。但长得

45、多。但是，当是，当t=3Tt=3T时，上式变为：时，上式变为：在加入输入作用后，经过在加入输入作用后，经过3T3T时间，温度已经变化了全部变化范围时间，温度已经变化了全部变化范围的的95%95%。这时，可以近似的认为动态过程已基本结束。所以，时间常数。这时，可以近似的认为动态过程已基本结束。所以，时间常数T T是表示在输入作用下，被控变量完成其变化过程所需要时间的一个重是表示在输入作用下，被控变量完成其变化过程所需要时间的一个重要参数。要参数。描述过程特性的参数考察考察描述过程特性的参数 时间常数T对系统的影响控制通道，对于扰动通道，时间常数大，扰动作用比较平缓，控制通道，对于扰动通道，时间常

46、数大，扰动作用比较平缓，被控变量的变化比较平稳，过程较易控制。被控变量的变化比较平稳，过程较易控制。控制通道在相同的控制作用下，时间常数大，被控变量的变化比较缓在相同的控制作用下，时间常数大，被控变量的变化比较缓慢，此时过程比较平稳，但过渡过程时间较长；慢，此时过程比较平稳，但过渡过程时间较长；若时间常数小，则被控变量的变化速度快，控制过程比若时间常数小，则被控变量的变化速度快，控制过程比较灵敏。较灵敏。扰动通道描述过程特性的参数 3.滞后时间 又称为传递滞后。纯滞后的产生一般是由于介质的输又称为传递滞后。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。送、能量传递和

47、信号传输需要一段时间而引起的。纯滞后0：皮带输送装置例浓度监测点溶解槽vL纯滞后纯滞后0和容量滞后和容量滞后h。XYtt溶解槽过程的响应曲线 0输送机将固体溶质由加料斗送至溶解槽所经过的时间，称为纯滞后时间。输送机将固体溶质由加料斗送至溶解槽所经过的时间，称为纯滞后时间。描述过程特性的参数检测元件安装位置不合理，也是产生纯滞后的重要因素。如检测点设得检测元件安装位置不合理，也是产生纯滞后的重要因素。如检测点设得较远，信号传递将会引起较大的传递滞后，造成控制系统控制不及时。较远，信号传递将会引起较大的传递滞后，造成控制系统控制不及时。LF1F2预处理分析仪表X例导管输送环节、带有预处理的成分测量

48、仪表导管输送环节、带有预处理的成分测量仪表描述过程特性的参数 容量滞后容量滞后h h容量滞后的产生一般是物料或能量传递需要通过一定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。的阻力而引起的。它是多容过程所固有的特性。nAh1 Q1 Q12 h2 Q2 A1A2oXYtt串联水槽及其响应曲线 如图所示的两个串联水槽的液位（双容）过程来说明容量滞后现象。描述过程特性的参数从理论上讲，纯滞后与容量滞后有着本质的区别，但在实际生产过从理论上讲，纯滞后与容量滞后有着本质的区别，但在实际生产过程中两者同时存在，有时很难区别。通常用滞后时间程中两者同时存在，有时很

49、难区别。通常用滞后时间来表示纯滞来表示纯滞后与容量滞后之和。即后与容量滞后之和。即=0 0+n+n。下图为滞后时间。下图为滞后时间示意图。示意图。滞后时间示意图oXYtt0n 滞后时间滞后时间对系统的影响对系统的影响由于存在滞后，使控制作用落后于被控变量的变化，从而使由于存在滞后，使控制作用落后于被控变量的变化，从而使被控变量的偏差增大，控制质量下降。滞后时间越大，控制被控变量的偏差增大，控制质量下降。滞后时间越大，控制质量越差。质量越差。控制通道对于扰动通道，如果存在纯滞后，相当于扰动延迟了一段时间才进入对于扰动通道，如果存在纯滞后，相当于扰动延迟了一段时间才进入系统，而扰动在什么时间出现，本来就是无从预知的，因此，并不影系统，而扰动在什么时间出现，本来就是无从预知的，因此，并不影响控制系统的品质。扰动通道中存在容量滞后，可使阶跃扰动的影响响控制系统的品质。扰动通道中存在容量滞后，可使阶跃扰动的影响趋于缓和，对控制系统是有利的。趋于缓和，对控制系统是有利的。扰动通道描述过程特性的参数