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1、第四讲 过程动态特性,主要内容,一、典型过程动态特性二、自衡过程三、非自衡过程,例 1,蒸汽加热器温度开环控制系统,例 2,液位开环控制系统（流出管道上的阀门改为计量泵，计量泵排出恒定的流量）,蒸汽加热器温度开环控制系统,液位开环控制系统,在工业过程控制中，有些对象较容易控制而有些对象很难控制，有些调节过程可以进行得很快而有些调节过程却非常慢。为什么会出现这些现象？关键：过程的动态特性不相同,被控过程动态特性的重要性,不同的被控过程具有不同的特性很难改变被控过程很容易改变控制器参数控制工程师能做的就是调整控制器使其适合被控过程对于某一被控过程，最适合其特性的最简单的控制器是最好的控制器。,只有
2、全面了解和掌握过程的动态特性，才能合理地设计方案，选出合适的自动化仪表，进行控制器参数整定!,根据输出相对于输入变化的响应情况可以将过程分为两大类：自衡过程和非自衡过程。自衡过程：当输入发生变化时，无需外加任何控制作用，过程能够自发地趋于新的平衡状态的性质称为自衡。自衡过程包括纯滞后过程、单容过程和多容过程。非自衡过程：与自衡过程不同，当输入发生变化时，非自衡过程不能够自发地趋于新的平衡状态。,一、典型过程动态特性,蒸汽加热器温度开环控制系统,液位开环控制系统,自衡过程/稳定对象纯滞后过程单容过程多容过程,(1)纯滞后过程某些过程在输入变量改变后输出变量并不立即改变，而要经过一段时间后才能反映
3、出来，纯滞后就是指输入变量变化后看不到系统对其响应的这段时间。例：重量传感器对固体流量变化的响应从阀门动作到感知到重量发生变化，这中间的纯滞后时间等于阀门和压力传感器之间的距离除以传送带的运动速度,纯滞后环节对任何输入信号的响应都是把它推迟一段时间，其大小等于纯滞后时间。纯滞后环节的传递函数为,纯滞后过程的响应曲线,(2)单容过程 系统原来处于平衡状态，当进水量阶跃增加后，进水量超过出水量，系统的平衡状态被打破，液位上升；但随着液位的上升，出水阀前的静压增加，出水量也将增加；这样，液位的上升速度将逐步变慢，最终将建立新的平衡，液位达到新的稳态值。,液体储罐,单容过程的响应曲线,单容过程传递函数
4、是一阶惯性环节或一阶惯性加纯滞后环节，其传递函数为,(3)多容过程 许多工业过程都是由两个或更多个容器组成的，图所示为典型的多容过程，由液体储罐串联而成，当温度Ti发生变化时，后面储罐的温度如何变化。,串联液体储罐,串联液体储罐温度变化的阶跃响应曲线,实际上，第一个储罐是单容过程，其传递函数为 T2的响应明显比T1慢，只有当T1发生变化影响到第二个储罐的温度时T2才会开始变化。第二个储罐也是单容过程，两个储罐串联成为双容过程，传递函数为依次类推，整个传递函数为,可以看到，串联的储罐增多，输出响应启动越来越慢，仿佛有时间滞后，即滞后时间随着串联灌数的增加而增长。实际工程中，为方便处理，往往用一阶
5、或加滞后过程来近似描述,串联液体储罐温度变化的阶跃响应曲线,非自衡过程,图所示的过程为非自衡过程，将流出管道上的阀门改成计量泵，计量泵排出恒定的流量，因此流出流量不再受到液位高度的影响。在稳定状态下储罐的流入量等于流出量，当手动调节流入量，使得输入流量大于输出流量，则储罐最终将满溢，实际上是个积分的过程，传递函数为,非自衡液位对象,非自衡液位对象响应曲线,小结,一、典型过程动态特性二、自衡过程三、非自衡过程,谢 谢！,第五讲 机理建模方法,要深入了解过程的性质、特点以及动态特性就离不开数学模型。数学模型描述了输出变量与输入变量之间随时间变化的动态关系。,机理建模方法：,根据过程对象的内在机理，
6、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称为机理建模方法，建立的模型称为“白箱模型”。模型物理概念清晰、准确，不但给出了系统输入输出变量之间的关系，也给出了系统状态和输入输出之间的关系。,机理建模法是根据对象的机理进行建模，但仍然是对真实过程的一种数学提炼，获得的数学模型也只是对真实过程的一种近似，因此不可能反映真实过程的所有性质。建模需要在模型的精度和模型的复杂度之间进行折中，还需要考虑建模的目的、期望的收益、模型的应用场合等等因素。所以说建模是一门科学，也是一种技术。,建立机理模型的步骤：根据建模的对象和模型的使用目的进行合理的假设，进行一些近似的处理，把次要因素忽略
7、掉。根据质量、能量以及各种物理化学平衡关系，列写基本方程，如物料平衡和能量平衡方程等。通常是常微分方程、偏微分方程、以及相关的代数方程，可采用自由度分析来保证数学模型有解。简化模型消去中间变量，建立状态变量、控制变量和输出变量的关系；增量化：在工作点处对方程进行增量化，获得增量方程；线性化：在工作点处进行线性化处理，简化过程特性。,常用的方程：物料和能量守恒关系 系统参量S的守恒关系 式中，S可以是总质量、各组分质量、总能量、动量。质量、能量以及各种物理化学平衡关系。,无化学反应的物料平衡关系,式中，为密度，；为体积，；为流入系统各物料的体积流量，；为流入各物料的密度，；为系统流出各物料的体积
8、流量，；为流出各物料的密度，。,基本定理（运动方程、状态方程、平衡关系、化学反应动力学中的方程）,运动方程,流体输送过程中涉及的是物料的运动，由于生产过程中物料多数是以流态在管道内输送，所以要研究推动流体流动的压差与管道内摩擦阻力之间的关系。按照牛顿运动定律，对于在同一个方向同时受到多个力所产生的运动表达为,式中，为沿着 方向的运动速度，；为沿着 方向的第 项力，；是质量，。上式表示沿着 方向动量的变化率等于沿着 方向的所有力之和，也就是动量守恒关系。,液体储罐建模问题,假设液体储罐上下均匀，截面积为A。进水的体积流量和出水的体积流量分别是Qi和Qo，输出为液位h，试建立该液体储罐对象的动态模
9、型。,又根据流体运动方程，出口流量与液位的关系(k是与管道阻力有关的系数)：,假设忽略储罐内出水的蒸发量，则储罐内蓄水量的变化和进水量、出水量之间满足物料平衡方程：,储罐液位的动态数学模型：,储罐液位的动态数学模型：,动态数学模型是非线性微分方程，如果假设液位始终在稳定值附近很小的范围内变化，则可以进行线性化：,（1）假设在稳态工况下进水和出水的流量分别是Qi0和Qo0，则以增量的形式表示各变量偏离稳定值的程度结合 和，可以得到,（2）液位和流出量之间是非线性特性，在工作点附近进行线性化处理，对 进行泰勒级数展开，并忽略高阶项上式左右相移可得将上式带入 得到其中。省略增量项，进一步得到,观察上
10、式，进行拉氏变换得到,机理模型的优点：（1）可以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；（2）可以在流程和设备的设计阶段即能求取；（3）有较大的适用范围，操作条件变化是可以类推。有两个弱点：（1）对于复杂的过程，人们对基本方程的某些参数不完全掌握，例如，换热器的K值，由传热学书籍提供的公式可能有1030的误差。又如，象精馏塔的塔板效率、塔板流体中的汽液比值等参数，很难预先精确估计；（2）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。,小结 机理建模法,谢 谢！,第六讲 测量变送环节,主要内容,一、测量变送环节的作用二、测量误差的来源三、测量信号的处理,测量变送环节
11、的任务是对被控变量和其他有关参数进行快速和准确的测量，将工业生产过程的参数（流量、压力、温度、物位、成分等）经检测、变送单元转换为标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用420mA、15V、010mA电流或电压信号，20100kPa气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是数字信号。,一、测量变送环节的作用,二、测量误差的来源（1）仪表本身的误差 仪表精度等级表明了在稳态下仪表的最大百分误差。因为它是按全量程的最大百分误差来定义的，所以量程越宽，绝对误差越大。因而在选择仪表量程时应尽量选窄一些。（2）安装不当引入误差 测量变送的一次元件安装在工艺设备上。安装必须符合规范，否则会引入很大误差。如流量
12、测量中，板孔反向安装，直管段不足，差压计液体引压管线存在气泡等都会造成很大的测量误差，甚至是测量错误。,（3）测量的动态误差 对测量变送环节作线性化处理后，一般可以表示成为一阶加纯滞后特性:其中，Km表示静态增益，Tm表示时间常数，m表示时滞。,测量变送环节的滞后，包括时间常数Tm和时滞m都会引起测量动态误差。,从控制的角度来讲希望测量变送环节能够快速地反映被测量值，因此减小时间常数Tm和时滞m对控制系统品质会带来好处。,时间常数Tm相对于过程的时间常数，大多数测量变送环节的时间常数是较小的。但成分检测变送环节的时间常数和时滞会很大；减小时间常数的措施包括检测点位置的合理选择；选用小惯性检测元
13、件；缩短气动管线长度，减小管径。,时滞m测量变送环节中时滞产生的原因是检测点与测量变送仪表之间有一定的传输距离l，而传输速度w也有制约，因此，产生时滞：m=l/w减小时滞的措施包括选择合适的检测点位置，减小传输距离l；选用增压泵、抽气泵等装置，提高传输速度w。,三、测量信号的处理（1）呈周期性的脉动信号需进行低通滤波在流体的输送过程中，由于输送机械的往复运动，流体的压力和流量会呈周期性的脉动变化。它的频率与输送机械的往复频率相一致，常见的如活塞式压缩机的出口压力和往复泵输送液体时的流量。这种周期性的波动，给控制系统运行带来了不少麻烦。因为对于呈周期性变化的脉动信号，当其平均值不变时，控制系统根
14、本不需要工作。但是控制器是按信号的偏差工作的，脉动信号产生脉动的偏差信号，它使控制器的输出信号也呈周期性的变化，从而使控制阀不停地开关。显然这种控制过程是徒劳无益的，加剧了被控变量的波动。,在实际生产中，可将RC滤波电路串联在变送器之后起到阻尼作用。这相当于低通滤波器。以RC阻尼器构成的一阶惯性环节 为例，它的幅频特性如图在低频段时动态增益近似为1，而随着频率的增高动态增益减小，因而起到了低频容易通过，而高频不易通过。,（2）测量噪声需进行滤波,由于存在环境噪声，例如，泵出口压力的脉动，储罐液位的波动等，它们使检测变送信号波动并影响控制系统的稳定运行，因此，需要对信号进行滤波。信号滤波有硬件滤
15、波和软件滤波，本节主要介绍软件滤波。,软件滤波 软件滤波采用计算方法，用程序编制各种数字滤波器实现信号滤波，具有投资少，应用灵活等特点，受到用户欢迎。在智能仪表、DCS等装置中通常采用软件滤波。过程控制中常用的数字滤波方法有下列几种：一阶低通滤波一阶高通滤波递推平均滤波,递推平均滤波 以第k次采样时刻为基准，依次将该时刻以前时刻共m个采样值的平均值作为滤波器的输出，并进行递推。计算公式为：写成递推公式为：,在此基础上，还可对老信息和新信息进行加权，得到递推加权平均滤波器的计算公式：,（3）线性化处理有的检测变送器，输入输出关系呈非线性，有时从控制角度希望这个环节为线性，因而需作线性化处理。如节
16、流装置输出差压与流量的平方成正比。可以采用硬件组成非线性环节实现，例如，采用开方器对差压进行开方运算，也可用软件实现线性化处理。,小结,一、测量变送环节的作用二、测量误差的来源三、测量信号的处理,谢 谢！,第七讲 控制阀,主要内容,一、控制阀概述二、控制阀的选择,控制阀接受控制器来的控制信号，通过改变阀的开度来达到控制流量的目的。因为处于最终执行控制任务的地位，所以又称“末级控制元件”。控制阀直接与介质接触，当在高压、高温、生冷、强腐蚀、高粘度、易结晶等各种恶劣条件下工作时，控制阀选择的重要性就显得很重要。控制阀是一个控制系统中不可缺少的组成部分，控制系统中每个环节的好坏，都对系统质量有直接影
17、响，但使控制系统不能正常运行的原因，多数发生在控制阀上。所以，对控制阀必须高度重视。在实际应用中，选择好阀的类型包括执行机构和阀体结构类型。从保证控制质量的角度，要考虑：阀的类型、阀口径、气开气关特性、流量特性。,一、控制阀概述,二、控制阀的选择1.控制阀结构类型及材质的选择 气动薄膜控制阀有直通单座、直通双座、角形、隔膜、蝶阀和三通阀等不同结构形式，要根据操纵介质的工艺条件（温度、压力、流量等）及其特性（粘度、腐蚀性、毒性、介质状态形式等）和控制系统的不同要求来选用。,直通单座阀只有一个阀芯，阀前后压差小，适用于要求泄漏量小的场合直通双座阀有两个阀芯，阀前后压差大，适用于允许有较大泄漏量的场
18、合角阀阀体呈直角，适用于高压差、高粘度、含悬浮物和颗粒状物质的场合隔膜阀适用于有腐蚀性介质的场合蝶阀适用于有悬浮物的介质、大流量、压差小、允许大泄漏量的场合高压阀适用于高压控制的特殊场合三通阀适用于分流或合流控制的场合,此外，应根据操纵介质的工艺条件和特性选择合适的材质，还应根据现场设备承受压力，温度特别是高温、低温等考虑阀耐压，温度条件。,2.控制阀口径大小的选择 确定控制阀口径大小也是选用控制阀的一个重要内容，其主要依据阀的流通能力。正常工况下要求控制阀开度处于1585%之间。因此，不宜将控制阀口径选的太小或过大，否则，会使控制阀可能运行在全开时的非线性饱和工作状态，系统失控；或使阀门经常
19、处于小开度的工作状态，造成流体对阀芯、阀座严重冲蚀，甚至引起控制阀失灵。,3 控制阀气开气关形式的选择气动控制阀有气开气关两种类型。前者随输入气压的增高开度增加；后则则相反。气开阀：(“有气则开”,“无气则关”)气关阀：(“有气则关”,“无气则开”)无气源时，气开阀全关，气关阀全开。,在气开与气关的选择上，主要考虑失气时使生产处于安全状态。例如，锅炉的进水阀一般选用气关式的，一旦气源中断，不至于使锅炉内的水蒸干；燃料管线上的阀门大多用气开式的，一旦气源中断，切断燃料，避免发生因燃料过多而产生事故。它的确定应根据工艺过程的安全要求，即当控制阀故障时，控制阀应处于什么状态。,4 控制阀流量特性的选
20、择从实用角度，流量特性选择一般不如阀的结构类型和口径选择重要。但流量特性选择涉及控制工程较多方面的概念，其本质是控制系统的非线性补偿问题。控制阀的流量特性是指通过控制阀的流量与阀门开度之间的关系。通过控制阀的流量不仅与开度有关，还受到阀两边压差的影响。控制阀制造厂提供的流量特性曲线，总是在阀门处于固定压降下得到，称为固有特性，主要有：直线、等百分比、快开、抛物线。,5.选择控制阀特性时的注意事项,小结,一、控制阀概述二、控制阀的选择,谢 谢！,第八讲 过程动态模型的建立,主要内容,一、过程动态模型的要求二、过程模型建立的方法,控制系统“广义对象”的概念,控制系统的目的是为了克服干扰，使被控变量
21、保持在设定值或者跟踪设定曲线。但是控制器无法直接了解被控变量的情况，必须通过测量变送环节来感知被控变量，因此控制系统实际上是在使被控变量的测量值保持设定值。同时，控制器无法直接影响被控对象，必须通过执行机构，如控制阀来进行操纵，执行机构的性能会影响到控制效果的好坏。因此，在设计控制方案时，除了要了解被控对象的性能，还要考虑测量变送和执行机构的性能。为了简化控制系统的分析和设计，常把执行机构、被控对象和测量变送环节合并起来考虑，看成一个广义对象。,蒸汽加热器的温度控制系统“广义对象”的概念,“广义对象”从控制器输出到控制器输入之间的环节。整个控制系统被划分为控制器和广义对象两大块。由于广义对象的
22、输入和输出都是可知的，因此可以建立广义对象的数学模型。,动态数学模型描述了输出变量与输入变量之间随时间变化的动态关系，它对过程动态的分析和控制起来举足轻重的作用。因此，对过程模型的要求是正确、可靠和简单。过程动态模型可分为三类：黑箱模型、白箱模型、灰箱模型。过程模型建立的方法有：机理建模方法、系统辨识方法-经验建模方法、混合方法。,一、过程动态模型的要求,二、过程模型建立的方法1、经验建模法2、混合法,根据过程输入输出数据确定过程模型的结构和参数的建模方法，建立的模型称为黑箱模型。经验建模通常包括三个基本要素：输入输出数据、指定的模型结构、选择模型的性能指标。过程辨识的方法很多，依据输入变量的
23、变化情况（即所施加外作用的形式），目前大致可分为非周期函数，周期函数，非周期性随机函数及周期性函数等四类。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。,1、经验建模法,一般的经验建模过程包括：1、设计试验来获得用于建模的输入输出数据；2、对输入输出数据进行预处理，如选择有用的数据段，提出坏点以及遗漏的数据点，进行数据滤波；3、指定模型的结构，如线性模型或者非线性模型；4、确定选择模型的性能指标，如均方差；5、根据输入输出数据和性能指标从指定的模型集中选择一个最佳的模型；6、对获得的模型进行测试，如果满意则结束；如果不满意则返回到步骤3，重新对模型进行评价
24、，如响应速度，曲线形状、模型稳定性等等。,(1)阶跃响应法,阶跃响应法非常简单，先使工况保持平稳一段时间，然后使阀门作阶跃式的变化（通常在10以内），在此同时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。,用测试法建立被控对象的数学模型，首先要选定模型的结构，典型工业过程的传递函数可为各种形式：（1）一阶惯性加纯滞后模型（2）二阶或n阶惯性加纯滞后模型（3）用有理分式表示的传递函数对于非自衡过程，传递函数中应含有积分环节：,确定了传递函数的形式后，下一步的问题就是如何确定其中的参数，使它能够拟合测试得到的阶跃响应。一般来讲，参数越多，就可以拟合得越完美，但计算工作量也越大。因此，没
25、必要过分追求拟合的完美程度。通常，把对象作为具有时滞的一阶对象来处理：式中 K对象放大系数 T对象时间常数 对象时滞,各参数求法如下：式中，为广义对象输出（被控变量测量值）的新稳态值；y0为广义对象输出的初始稳态值；为广义对象输入（即控制器输出）的阶跃变化幅度。时间常数T和滞后时间 可以用作图法确定。为此，在曲线的拐点p处作切线，它与时间轴交于A点，与曲线的稳态渐近线交于B点，有,在实际的工程应用中，常采用以下改进方法来确定参数常取可以得到,换热器温度控制系统的开环阶跃响应,基于阶跃响应的特性参数计算,基于阶跃响应的特性参数计算,(2)脉冲响应法,在施加阶跃响应后，隔一段时间再施加一个反向的阶
26、跃输入，合起来就是用脉冲作为输入信号，如图所示。由于输入是正向和反向阶跃作用之和，因而把输出变化过程折算为阶跃响应并不困难。输入是 u(t)=u1(t)+u2(t)=u1(t)-u1(t-t)输出是 y(t)=h1(t)+h2(t)=h1(t)-h1(t-t),h1(t)=y(t)+h1(t-t)上式表示了响应曲线关系式，在0t时间内，h1(t)等于脉冲响应即h1(t)=y(t)，而后h1(t)等于当时的脉冲响应y(t)加t时间以前的阶跃响应h1(t-t)，随着时间推移就可得到完整阶跃响应曲线。得阶跃响应曲线后，可以通过前述有关方法求取过程的数学模型。,3、混合方法,把两种途径结合，可兼采两者之长，补各自之短。介于机理建模方法、经验建模方法之间的建模方法，称为混合方法。所得模型称为灰箱模型。,小结,一、过程动态模型的要求二、过程模型建立的方法,谢 谢！,
