第二章過(guò)程特性華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動(dòng)化系第一頁(yè)，共四十一頁(yè)。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。操縱變量、擾動(dòng)變量被控變量第二頁(yè)，共四十一頁(yè)。研究過(guò)程特性的必要性：為了更好地實(shí)施控制第三頁(yè)，共四十一頁(yè)。本章內(nèi)容：

2.1過(guò)程特性的類型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)定方法第四頁(yè)，共四十一頁(yè)。2.1過(guò)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)變量被控變量第五頁(yè)，共四十一頁(yè)。2.1過(guò)程特性的類型對(duì)象特性主要通過(guò)響應(yīng)曲線來(lái)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)第六頁(yè)，共四十一頁(yè)。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(guò)程無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程第七頁(yè)，共四十一頁(yè)。有自衡的振蕩過(guò)程具有反向特性的過(guò)程第八頁(yè)，共四十一頁(yè)。有自衡的非振蕩過(guò)程如下圖中的液位過(guò)程第九頁(yè)，共四十一頁(yè)。無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程如下圖中的液位過(guò)程第十頁(yè)，共四十一頁(yè)。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)方程第十一頁(yè)，共四十一頁(yè)。2.2過(guò)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第十二頁(yè)，共四十一頁(yè)。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：有純滯后第十三頁(yè)，共四十一頁(yè)。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。第十四頁(yè)，共四十一頁(yè)。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第十五頁(yè)，共四十一頁(yè)。(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(wú)窮大時(shí)之比第十六頁(yè)，共四十一頁(yè)?？刂仆ǖ赖姆糯笙禂?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。。第十七頁(yè)，共四十一頁(yè)。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第十八頁(yè)，共四十一頁(yè)。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??；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？第十九頁(yè)，共四十一頁(yè)。選擇Ko的原則：希望Ko大一些。第二十頁(yè)，共四十一頁(yè)。(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(guò)程受到幅度為Δf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Δf之比。第二十一頁(yè)，共四十一頁(yè)。(2)擾動(dòng)通道的放大系數(shù)KfKf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。第二十二頁(yè)，共四十一頁(yè)。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。第二十三頁(yè)，共四十一頁(yè)。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。第二十四頁(yè)，共四十一頁(yè)。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。第二十五頁(yè)，共四十一頁(yè)。（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。第二十六頁(yè)，共四十一頁(yè)。

（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第二十七頁(yè)，共四十一頁(yè)。純滯后τ定義：在過(guò)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(kāi)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(guò)程中的純滯后時(shí)間是指純滯后與容量滯后時(shí)間之和第二十八頁(yè)，共四十一頁(yè)。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?shù)诙彭?yè)，共四十一頁(yè)。（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)。第三十頁(yè)，共四十一頁(yè)。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。容量滯后第三十一頁(yè)，共四十一頁(yè)。（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(guò)程的影響，是以其與時(shí)間常數(shù)的比值τ/T來(lái)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(guò)程較易控制；第三十二頁(yè)，共四十一頁(yè)。（2）純滯后對(duì)擾動(dòng)通道的影響

對(duì)τo無(wú)要求。

希望τc大。第三十三頁(yè)，共四十一頁(yè)。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。

第三十四頁(yè)，共四十一頁(yè)。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)。

第三十五頁(yè)，共四十一頁(yè)。階躍擾動(dòng)法（反應(yīng)曲線法）

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)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(guò)程特性參數(shù)。第三十六頁(yè)，共四十一頁(yè)。放大系數(shù)

K=B/A

時(shí)間常數(shù)

T純滯后

τ一階系統(tǒng)第三十七頁(yè)，共四十一頁(yè)。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)第三十八頁(yè)，共四十一頁(yè)。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。第三十九頁(yè)，共四十一頁(yè)。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。第四十頁(yè)，共四十一頁(yè)。內(nèi)容總結(jié)第二章過(guò)程特性。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(wú)窮大時(shí)之比。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