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1、第二章 過(guò)程特性,華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動(dòng)化系,過(guò)程：,簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)方塊圖,過(guò)程特性：,需要實(shí)現(xiàn)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程,是指被控過(guò)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。,研究過(guò)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(guò)程特性的類(lèi)型,2.2 過(guò)程的數(shù)學(xué)描述,2.3 過(guò)程特性的一般分析,2.4 過(guò)程特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法,2.1 過(guò)程特性的類(lèi)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,2.1 過(guò)程特性的類(lèi)型,對(duì)象特性主要通過(guò)響應(yīng)曲線(xiàn)來(lái)呈現(xiàn),控制通道的響應(yīng)

2、曲線(xiàn)：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(xiàn)：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(xiàn)的種類(lèi)：(在階躍擾動(dòng)作用下),有自衡的非振蕩過(guò)程,無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程,有自衡的振蕩過(guò)程,具有反向特性的過(guò)程,有自衡的非振蕩過(guò)程如下圖中的液位過(guò)程,無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程如下圖中的液位過(guò)程,2.2 過(guò)程的數(shù)學(xué)描述,要研究被控過(guò)程的特性，就必須知道被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，也就是對(duì)過(guò)程的數(shù)學(xué)描述。,數(shù)學(xué)模型：表示具體過(guò)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(guò)程的數(shù)學(xué)

3、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,由前面的分析（略）可得：一階被控過(guò)程控制通道的動(dòng)態(tài)方程為：,一階被控過(guò)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(guò)程特性的一般分析,描述有自衡非振蕩過(guò)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。,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c(t)與操縱變量的變化量q(t)在時(shí)間趨于無(wú)窮大時(shí)之比,控制通道的放大

4、系數(shù)Ko反映了過(guò)程以初始工作點(diǎn)為基準(zhǔn)的被控變量與操縱變量在過(guò)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(guò)程原有的穩(wěn)定狀態(tài)。,生產(chǎn)負(fù)荷：過(guò)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(guò)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

5、，過(guò)程受到幅度為f的階躍擾動(dòng)作用，過(guò)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f(wàn)之比。,(2) 擾動(dòng)通道的放大系數(shù)Kf,Kf該如何選擇呢？,Kf越大，說(shuō)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)。,控制過(guò)程中時(shí)間常數(shù)的概念來(lái)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(guò)程中，T=RC表征了充電過(guò)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(chēng)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)

6、到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。,任何過(guò)程都具有儲(chǔ)存物料或能量的能力，如過(guò)程的容量有熱容、液容、氣容。,因此，可以用過(guò)程容量系數(shù)C與阻力系數(shù)R的乘積來(lái)表征過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。,任何過(guò)程在物料或能量的傳遞過(guò)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(guò)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(guò)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,定義：在過(guò)程的輸入變量發(fā)生變化后，輸出變量不是

7、立即變化，而是隔一段時(shí)間才開(kāi)始發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)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(xiàn),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(guò)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o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(guò)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o小。純滯后對(duì)系統(tǒng)控制過(guò)程的影響，是以其與時(shí)間常數(shù)的比值/T來(lái)衡量的。,/T(0.50.6)

8、時(shí)，需用特殊控制規(guī)律。,/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(guò)程較易控制；,（2）純滯后對(duì)擾動(dòng)通道的影響,對(duì)o無(wú)要求。,希望c大。,2.4 過(guò)程特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法,過(guò)程特性參數(shù)可以由過(guò)程的數(shù)學(xué)模型通過(guò)求解得到。,但是在生產(chǎn)過(guò)程中，很多過(guò)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(lái)測(cè)定過(guò)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(guò)對(duì)該過(guò)程的輸出變量進(jìn)行測(cè)量和記錄，然后通過(guò)分析整理得到過(guò)程特性參數(shù)。,階躍擾動(dòng)法（反應(yīng)曲線(xiàn)法）,當(dāng)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在過(guò)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(guò)程輸出變量的數(shù)值，畫(huà)

9、出輸出變量隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線(xiàn)，根據(jù)響應(yīng)曲線(xiàn)求得過(guò)程特性參數(shù)。,放大系數(shù) K=B/A 時(shí)間常數(shù) T純滯后 ,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 : =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(guò)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(guò)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。,演講完畢，謝謝觀看！,