1、第二章 過程特性,華東理工大學(xué)信息學(xué)院自動化系,過程：,簡單控制系統(tǒng)方塊圖,過程特性：,需要實現(xiàn)控制的機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程,是指被控過程的輸入變量發(fā)生變化時，其輸出變量隨時間的變化規(guī)律。,研究過程特性的必要性：,為了更好地實施控制,本章內(nèi)容：,2.1 過程特性的類型,2.2 過程的數(shù)學(xué)描述,2.3 過程特性的一般分析,2.4 過程特性的實驗測定方法,2.1 過程特性的類型,通道：,擾動通道：,控制通道：,輸入變量對輸出變量的作用途徑,操縱變量q(t)對被控變量c(t)的作用途徑,擾動變量f(t)對被控變量c(t)的作用途徑,2.1 過程特性的類型,對象特性主要通過響應(yīng)曲線來呈現(xiàn),控制通道的響應(yīng)

2、曲線：當(dāng)操縱變量q(t)做階躍變化（擾動f(t)不變）時被控變量的時間特性c(t),擾動通道的響應(yīng)曲線：當(dāng)擾動變量f(t)做階躍變化（控制作用q(t) 不變）時被控變量的時間特性c(t),響應(yīng)曲線有四種：(在階躍擾動作用下),有自衡的非振蕩過程,無自衡的非振蕩過程,有自衡的振蕩過程,具有反向特性的過程,有自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程,無自衡的非振蕩過程如下圖中的液位過程,2.2 過程的數(shù)學(xué)描述,要研究被控過程的特性，就必須知道被控過程的數(shù)學(xué)模型（參量模型），也就是對過程的數(shù)學(xué)描述。,數(shù)學(xué)模型：表示具體過程的輸入、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

3、 過程的數(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、實驗測定法,由前面的分析（略）可得： 一階被控過程控制通道的動態(tài)方程為：,一階被控過程擾動通道的動態(tài)方程為：,有純滯后,其中： 分別為控制通道、擾動通道的時間常數(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變量增量。,2.3 過程特性的一般分析,描述有自衡非振蕩過程的特性參數(shù)有放大系數(shù)K、時間常數(shù)T和時滯。,放大系數(shù)K,(1) 控制通道的放大系數(shù)Ko,(2) 擾動通道的放大系數(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)在時間趨于無窮大時之比,

4、控制通道的放大系數(shù)Ko反映了過程以初始工作點為基準(zhǔn)的被控變量與操縱變量在過程變化結(jié)束時的變化量之間的關(guān)系，是一個穩(wěn)態(tài)特性參數(shù)。,初始工作點：過程原有的穩(wěn)定狀態(tài)。,生產(chǎn)負(fù)荷：過程的生產(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。,過程的放大系數(shù)是變化的，受負(fù)荷和工作點的影響。 在相同的負(fù)荷下， Ko隨工作點的增大而減??； 在相同的工作點下，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稍大。,(2) 擾動通道的放大系數(shù)Kf,定義：在操縱變量q(t)

5、不變的情況下，過程受到幅度為f的階躍擾動作用，過程從原有穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)時被控變量的變化量 與擾動幅度f之比。,(2) 擾動通道的放大系數(shù)Kf,Kf該如何選擇呢？,Kf越大，說明在某一固定的f下，被控變量的變化會大；反之亦然。,很顯然，希望Kf小。,時間常數(shù)T,時間常數(shù)T是表征被控變量變化快慢的動態(tài)參數(shù)。,控制過程中時間常數(shù)的概念來源于電工學(xué)中時間常數(shù)的概念。,在阻容環(huán)節(jié)的充電過程中，T=RC表征了充電過程的快慢。,定義1：在階躍外作用下，一個阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量完成全部變化量的63.2%所需要的時間,稱為該阻容環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。,定義2：在階躍外作用下，一個阻容環(huán)節(jié)的輸出變化量保持初始

6、變化速度，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時間。,任何過程都具有儲存物料或能量的能力，如過程的容量有熱容、液容、氣容。,因此，可以用過程容量系數(shù)C與阻力系數(shù)R的乘積來表征過程的時間常數(shù)。,任何過程在物料或能量的傳遞過程中，也總是存在著一定的阻力，如熱阻、液阻、氣阻。,（1）控制通道時間常數(shù)To對控制系統(tǒng)的影響,希望To適中,在相同的控制作用下， 過程的時間常數(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）擾動通道時間常數(shù)Tf 對控制系統(tǒng)的影響,希望Tf大,過程的時間常數(shù)Tf 越大越好,相當(dāng)于對擾動信號進(jìn)行濾波。,對被控變量的影響越小,純滯后,定義：在過程的輸入發(fā)生變化后，輸

7、出不是隨之立即變化，而是需要間隔一段時間才開始發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為純滯后（時滯）現(xiàn)象。,具有純滯后時間的階躍響應(yīng)曲線,定義中的純滯后包括了兩種滯后：純滯后、容量滯后。 實際工業(yè)過程中的純滯后時間是指純滯后與容量滯后時間之和,純滯后o是由于信息的傳輸需要時間而引起的。,物料傳輸,（1）可能源于被控變量c(t)至測量值y(t)的檢測通道； （2）可能源于控制信號u(t)至操縱變量q(t)的一側(cè)。,容量滯后是多容量過程的固有特性，是由于物料或能量的傳遞都會遇到一定的阻力而引起的。,容量滯后,（1）純滯后對控制通道的影響,希望o小。純滯后對系統(tǒng)控制過程的影響，是以其與時間常數(shù)的比值/T來衡量的。,/

8、T(0.50.6)時，需用特殊控制規(guī)律。,/T較大時，需要在一定程度上降低控制系統(tǒng)的控制指標(biāo)才可以確保對系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。,的過程較易控制；,（2）純滯后對擾動通道的影響,對o無要求。,希望c大。,2.4 過程特性的實驗測定方法,過程特性參數(shù)可以由過程的數(shù)學(xué)模型通過求解得到。,但是在生產(chǎn)過程中，很多過程的數(shù)學(xué)模型是不易得到的。,工程上一般用實驗方法來測定過程特性參數(shù)。,最簡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，通過對該過程的輸出變量進(jìn)行測量和記錄，然后通過分析整理得到過程特性參數(shù)。,階躍擾動法（反應(yīng)曲線法）,當(dāng)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在過程的輸入端施加一個幅度已知的階躍擾動，測量和記錄過程輸出變量的數(shù)值，畫出輸出變量隨時間變化的反應(yīng)曲線，根據(jù)響應(yīng)曲線求得過程特性參數(shù)。,放大系數(shù) K=B/A 時間常數(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),階躍擾動法簡便易行、且比較直觀、所以得到了廣泛的應(yīng)用。 但是針對較復(fù)雜、擾動因素較多的過程，會影響測試精度；另