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)單控制制系統(tǒng)方方塊圖過(guò)程特性性：需要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)控制的的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程程是指被控控過(guò)程的的輸入變量量發(fā)生變化化時(shí)，其其輸出變量量隨時(shí)間的的變化規(guī)律律。操縱變量、擾動(dòng)變量被控變量研究過(guò)程特性的必要性：為了更好好地實(shí)施施控制本章內(nèi)容容：2.1過(guò)過(guò)程程特性的的類(lèi)型2.2過(guò)過(guò)程程的數(shù)學(xué)學(xué)描述2.3過(guò)過(guò)程程特性的的一般分分析2.4過(guò)過(guò)程程特性的的實(shí)驗(yàn)測(cè)測(cè)定方法法2.1過(guò)過(guò)程程特性的的類(lèi)型通道：擾動(dòng)通道道：控制通道道：輸入變量量對(duì)輸出變量量的作用途途徑操縱變量量q(t)對(duì)被控變量量c(t)的作用途途徑擾動(dòng)變量量f(t)對(duì)被控變量量c(t)的作用途途徑操縱變量、擾動(dòng)變量被控變量2.1過(guò)過(guò)程程特性的的類(lèi)型對(duì)象特性性主要通通過(guò)響應(yīng)應(yīng)曲線(xiàn)來(lái)來(lái)呈現(xiàn)控制通道道的響應(yīng)應(yīng)曲線(xiàn)：：當(dāng)操縱變量量q(t)做階躍變變化（擾擾動(dòng)f(t)不變）時(shí)被控變量量的時(shí)間特特性c(t))擾動(dòng)通道道的響應(yīng)應(yīng)曲線(xiàn)：：當(dāng)擾動(dòng)變量量f(t)做階躍變變化（控控制作用用q(t)不變）時(shí)時(shí)被控變量量的時(shí)間特特性c(t))響應(yīng)曲線(xiàn)線(xiàn)的種類(lèi)類(lèi)：(在階躍擾擾動(dòng)作用用下)有自衡的的非振蕩蕩過(guò)程無(wú)自衡的的非振蕩蕩過(guò)程有自衡的的振蕩過(guò)過(guò)程具有反向向特性的的過(guò)程有自衡的的非振蕩蕩過(guò)程如如下圖中中的液位位過(guò)程無(wú)自衡的的非振蕩蕩過(guò)程如如下圖中中的液位位過(guò)程2.2過(guò)過(guò)程程的數(shù)學(xué)學(xué)描述要研究被被控過(guò)程程的特性性，就必必須知道道被控過(guò)過(guò)程的數(shù)數(shù)學(xué)模型型，也就就是對(duì)過(guò)過(guò)程的數(shù)數(shù)學(xué)描述述。數(shù)學(xué)模型型：表示具體體過(guò)程的的輸入、、輸出關(guān)關(guān)系的數(shù)數(shù)學(xué)方程程式。其形式有有：微分方程程式、偏偏微分方方程式、、狀態(tài)方方程2.2過(guò)過(guò)程程的數(shù)學(xué)學(xué)描述蒸汽加熱熱器建立數(shù)學(xué)學(xué)模型的的方法：：機(jī)理建模模法、實(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)定定法能量平衡方程等由前面的的分析（（略）可可得：一階被控控過(guò)程控制通道道的動(dòng)態(tài)方方程為：：一階被控控過(guò)程擾動(dòng)通道道的動(dòng)態(tài)方方程為：：有純滯后后其中：分分別為控控制通道道、擾動(dòng)動(dòng)通道的的時(shí)間常數(shù)數(shù)和放大系數(shù)數(shù)；分別為被控變量量增量、操縱變量量增量和擾動(dòng)變量量增量。2.3過(guò)過(guò)程特性性的一般般分析描述有自自衡非振振蕩過(guò)程程的特性性參數(shù)有有放大系數(shù)數(shù)K、時(shí)間常數(shù)數(shù)T和時(shí)滯τ。放大系數(shù)數(shù)K(1)控制通道道的放大大系數(shù)Ko(2)擾動(dòng)通道道的放大大系數(shù)Kf(1)控制通道道的放大大系數(shù)Ko定義：在擾動(dòng)變變量f(t)不變的情情況下，，被控變量量的變化化量Δc(t))與操縱變量量的變化化量Δq(t))在時(shí)間趨于于無(wú)窮大大時(shí)之比控制通道道的放大大系數(shù)Ko反映了過(guò)過(guò)程以初始工作作點(diǎn)為基準(zhǔn)的的被控變變量與操操縱變量量在過(guò)程程變化結(jié)結(jié)束時(shí)的的變化量量之間的的關(guān)系，，是一個(gè)個(gè)穩(wěn)態(tài)特性性參數(shù)。初始工作作點(diǎn)：過(guò)過(guò)程原有有的穩(wěn)定定狀態(tài)。。生產(chǎn)負(fù)荷荷：過(guò)程程的生產(chǎn)產(chǎn)能力或或處理量量。。在負(fù)荷不不變的情情況下，，蒸汽量量不同，，達(dá)到平平衡的出出口溫度度不同；；反之，，在蒸汽汽量相同同，處理理量（負(fù)負(fù)荷）不不同的情情況下，，達(dá)到平平衡的出出口溫度度也不同同。F過(guò)程的放放大系數(shù)數(shù)是變化化的，受受負(fù)荷和工作點(diǎn)的影響。。在相同的的負(fù)荷下下，Ko隨工作點(diǎn)點(diǎn)的增大大而減小?。辉谙嗤牡墓ぷ鼽c(diǎn)點(diǎn)下，Ko隨負(fù)荷的的增大而而減小。。蒸汽加熱熱器的穩(wěn)穩(wěn)態(tài)特性性Ko該如何選選擇呢？？選擇Ko的原則：：希望Ko大一些。。(2)擾動(dòng)通道道的放大大系數(shù)Kf定義：在操縱變量量q(t)不變的情況下下，過(guò)程程受到幅幅度為Δf的階躍擾擾動(dòng)作用用，過(guò)程程從原有有穩(wěn)定狀狀態(tài)達(dá)到到新的穩(wěn)穩(wěn)定狀態(tài)態(tài)時(shí)被控變量量的變化化量與與擾動(dòng)動(dòng)幅度Δf之比。(2)擾動(dòng)通道道的放大大系數(shù)KfKf該如何選選擇呢？？Kf越大，說(shuō)說(shuō)明在某某一固定定的△f下，被控控變量的的變化會(huì)會(huì)大；反反之亦然然。很顯然，，希望Kf小。時(shí)間常數(shù)數(shù)T時(shí)間常數(shù)數(shù)T是表征被被控變量量變化快快慢的動(dòng)動(dòng)態(tài)參數(shù)數(shù)?？刂七^(guò)程程中時(shí)間常常數(shù)的概概念來(lái)源源于電工工學(xué)中時(shí)時(shí)間常數(shù)數(shù)的概念念。在阻容環(huán)環(huán)節(jié)的充充電過(guò)程程中，T=RC表征了充充電過(guò)程程的快慢慢。定義1：：在階躍外外作用下下，一個(gè)個(gè)阻容環(huán)環(huán)節(jié)的輸輸出變化化量完成成全部變變化量的的63.2%所需要的的時(shí)間,稱(chēng)為該阻阻容環(huán)節(jié)節(jié)的時(shí)間常數(shù)數(shù)。定義2：：在階躍外外作用下下，一個(gè)個(gè)阻容環(huán)環(huán)節(jié)的輸輸出變化化量保持持初始變化化速度，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)態(tài)值所需要的的時(shí)間。任何過(guò)程程都具有有儲(chǔ)存物物料或能能量的能能力，如如過(guò)程的的容量有有熱容、液液容、氣氣容。因此，可以用過(guò)過(guò)程容量系數(shù)數(shù)C與阻力系系數(shù)R的乘積來(lái)表征過(guò)過(guò)程的時(shí)間常常數(shù)。任何過(guò)程程在物料料或能量量的傳遞遞過(guò)程中中，也總總是存在在著一定定的阻力力，如熱阻、液液阻、氣氣阻。（1）控制通道道時(shí)間常常數(shù)To對(duì)控制系系統(tǒng)的影影響希望To適中在相同的的控制作作用下，，過(guò)程的時(shí)時(shí)間常數(shù)數(shù)To越大，To越小，被控變量量的變化化越緩慢。被控變量量的變化化越快。（2）擾擾動(dòng)通道道時(shí)間常常數(shù)Tf對(duì)控制系系統(tǒng)的影影響希望Tf大過(guò)程的時(shí)時(shí)間常數(shù)數(shù)Tf越大越好好相當(dāng)于對(duì)對(duì)擾動(dòng)信信號(hào)進(jìn)行行濾波。。對(duì)被控變變量的影影響越小純滯后τ定義：在過(guò)程的的輸入變變量發(fā)生生變化后后，輸出出變量不不是立即即變化，，而是隔隔一段時(shí)時(shí)間才開(kāi)開(kāi)始發(fā)生生變化，，這種現(xiàn)現(xiàn)象稱(chēng)為為純滯后后（時(shí)滯滯）現(xiàn)象象。具有純滯滯后時(shí)間間的階躍躍響應(yīng)曲曲線(xiàn)定義中的的純滯后后包括了了兩種滯滯后：純滯后、、容量滯滯后。實(shí)際工業(yè)業(yè)過(guò)程中中的純滯滯后時(shí)間間是指純純滯后與與容量滯滯后時(shí)間間之和純滯后τo是由于信信息的傳傳遞需要要時(shí)間而而引起的的。物料傳輸輸（1）可能源源于被控變量量c(t)至測(cè)量值值y(t)的檢測(cè)通通道；（2）可能源源于控制信號(hào)號(hào)u(t)至操縱變變量q(t)的一側(cè)。。容量滯后后是多容量量過(guò)程的的固有特特性，是是由于物物料或能能量的傳傳遞都會(huì)會(huì)遇到一一定的阻阻力而引引起的。。容量滯后后（1）純滯后對(duì)對(duì)控制通通道的影影響希望τo小。純滯后τ對(duì)系統(tǒng)控控制過(guò)程程的影響響，是以以其與時(shí)時(shí)間常數(shù)數(shù)的比值值τ/T來(lái)衡量的的。τ/T>>(0.5~0..6)時(shí)，需用用特殊控控制規(guī)律律。τ/T較大時(shí)，，需要在在一定程程度上降降低控制制系統(tǒng)的的控制指指標(biāo)才可可以確保保對(duì)系統(tǒng)統(tǒng)的穩(wěn)定定控制。。的過(guò)程較較易控制制；（2）純滯后對(duì)對(duì)擾動(dòng)通通道的影影響對(duì)τo無(wú)要求。希望τc大。2.4過(guò)程特性性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)測(cè)定方方法過(guò)程特性性參數(shù)可以由過(guò)過(guò)程的數(shù)數(shù)學(xué)模型型通過(guò)求求解得到到。但是在生生產(chǎn)過(guò)程程中，很很多過(guò)程程的數(shù)學(xué)學(xué)模型是是不易得得到的。。工程上一一般用實(shí)實(shí)驗(yàn)方法法來(lái)測(cè)定定過(guò)程特特性參數(shù)數(shù)。最簡(jiǎn)便的的方法就就是直接接在原設(shè)設(shè)備或機(jī)機(jī)器中施加一定定的擾動(dòng)動(dòng)，通過(guò)對(duì)對(duì)該過(guò)程程的輸出變量量進(jìn)行測(cè)量量和記錄錄，然后后通過(guò)分分析整理理得到過(guò)過(guò)程特性性參數(shù)。階躍擾動(dòng)動(dòng)法（反反應(yīng)曲線(xiàn)線(xiàn)法）當(dāng)過(guò)程處處于穩(wěn)定定狀態(tài)時(shí)時(shí)，在過(guò)過(guò)程的輸輸入端施施加一個(gè)個(gè)幅度已已知的階階躍擾動(dòng)動(dòng)，測(cè)量量和記錄錄過(guò)程輸輸出變量量的數(shù)值值，畫(huà)出出輸出變變量隨時(shí)時(shí)間變化化的響應(yīng)應(yīng)曲線(xiàn)，，根據(jù)響響應(yīng)曲線(xiàn)線(xiàn)求得過(guò)過(guò)程特性性參數(shù)。。放大系數(shù)數(shù)K=B//A時(shí)間常數(shù)數(shù)T純滯后τ一階系統(tǒng)統(tǒng)放大系數(shù)數(shù)K:K=[c(t))-c((0)]/A時(shí)間常數(shù)數(shù)T:T=2、3之間的距距離純滯后τ:τ=1、2之間的距距離二階系統(tǒng)統(tǒng)階躍擾動(dòng)動(dòng)法簡(jiǎn)便便易行、、且比較較直觀、、所以得得到了廣廣泛的應(yīng)應(yīng)用。但是針對(duì)對(duì)較復(fù)雜雜、擾動(dòng)動(dòng)因素較較多的過(guò)過(guò)程，會(huì)會(huì)影響測(cè)測(cè)試精度度；另外外，由于于工藝條條件的限限制，階階