过程控制工程过程动态特性分析
过程控制知识点(精编)
(一)概述1.过程控制概念：采用数字或模拟控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。
2.学科定位：过程控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表知识相结合而构成的一门应用学科。
3.过程控制的目标：安全性，稳定性，经济性。
4.过程控制主要是指连续过程工业的过程控制。
5.过程控制系统基本框图：6.过程控制系统的特点:1)被控过程的多样性2)控制方案的多样性,包括系统硬件组成和控制算法以及软件设计的多样性。
3)被控过程属慢过程且多属参数控制4)定值控制是过程控制的主要形式5)过程控制有多种分类方法。
过程控制系统阶跃应曲线：7.衰减比η：衡量振荡过程衰减程度的指标，等于两个相邻同向波峰值之比。
即：8.衰减率ϕ：指每经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数，即：衰减比常用表示。
9.最大动态偏差y1：被控参数偏离其最终稳态值的最大值。
衡量过程控制系统动态准确性的指标10.超调量：最大动态偏差占稳态值的百分比。
11.余差：衡量控制系统稳态准确性的性能指标。
12.调节时间：从过渡过程开始到结束的时间。
当被控量进入其稳态值的范围内，过渡过程结束。
调节时间是过程控制系统快速性的指标。
13.振荡频率：振荡周期P的倒数，即：当相同，越大则越短；当相同时，则越高，越短。
因此，振荡频率也可衡量过程控制系统快速性。
被控对象的数学模型（动态特性）：过程在各输入量(包括控制量与扰动量)作用下，其相应输出量(被控量)变化函数关系的数学表达式。
14. 被控对象的动态特性的特点：1单调不振荡。
2具有延迟性和大的时间常数。
3具有纯时间滞后。
4具有自平衡和非平衡特性。
5非线性。
(二)过程控制系统建模方法机理法建模：根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关方程式，从而得到所需的数学模型。
测试法建模：根据工业过程的输入、输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。
经典辨识法：测定动态特性的时域方法，测定动态特性的频域方法，测定动态特性的统计相关法。
过程控制
1.过程控制系统的组成：被控对象，用于生产过程参数检测的检测与变送仪表，控制器，执行机构，报警、保护和连锁等其他部件。
2.控制参数：K（放大系数）、T（时间常数）、τ（纯延迟时间）3.一阶惯性环节的传递函数：G（s）=k/（Ts+1）4.流量特性：指流体流过阀门的相对流量Qr和相对开度Lr之间的函数关系，即Qr=f（Lr）。
理想流量特性：指阀前后压差保持不变的特性。
主要有直线、对数、抛物线、快开四中。
工作流量特性：指在实际生产中，调节阀前后压差总是变化的时候的流量特性。
工作流量特性与管道系统阻力有关。
（串联管道和并联管道的工作流量特性）流量系数的定义：温度为5到10摄氏度的水，在10*5 Pa的压降下，每小时流过调节阀水量的立方米数，以符号Kv表示。
流量系数对于选定控制阀的口径和结构有着重要作用。
5.建模的方法：机理法建模和测试法建模。
机理法：根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程。
测试法：根据工业过程的输入和输出的实际数据进行某种数学处理后得到的模型。
6.PID中的P、I、D的作用：比例调节成比例的反映控制偏差，偏差一旦产生，比例调节就立即发挥作用，以减小偏差；积分调节主要用于消除余差；微分作用反映偏差的变化趋势，并能在偏差信号变得太大前，在系统中引入一个有效的早期修正，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。
7.分程控制：在反馈系统中，一台控制器的输出可能同时的去控制两个或两个以上的控制阀工作，这些控制阀在控制器的某个信号段内从全关到全开（或从全开到全关），因此需要将控制器输出信号分成若干个信号段，每一个信号段控制一个控制阀。
9.积分控制中积分饱和产生的原因：a.控制器具有积分作用b.控制器处于开环作用c.偏差信号长期存在抗积分饱和的措施：限幅法，外反馈法，积分切除法（限定PI调节器的输出，积分分离法，遇限削弱积分法）10.PID参数对系统稳定性的影响：a.比例度越大相当于加大调节系统的开环增益，导致系统激动振荡不稳定，反之比例越小越稳定b.控制系统的开环增益与积分时间成反比，积分时间越长系统越稳定c.微分调节作用总是力图抑制被调量的振荡，偏差变化越剧烈，由D调节器给出的作用就越大，从而及时的抑制偏差的增长，提高系统的稳定性.11.串级控制系统的作用及特点：a.串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服作用；B.由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，提高了系统的响应速度；c.提高系统的工作频率，改善了系统控制质量；D.串级系统有一定的自适应能力主副控制器的选择：A.主控制器必须具有积分作用，一般都采用PI控制器。
过程控制的任务及要求
过程控制的任务：
在了解、掌握工艺流程和被控过程的静态与 动态特性的基础上，应用控制理论分析和设计符 合上述三项要求的过程控制系统，并采用适宜的 技术手段（如自动化仪表和计算机）加以实现。 因此，过程控制是集控制理论、工艺知识、自动 化仪表与计算机等为一体的综合性应用技术。
过程控制概述
过程控制的任务及要求
过程控制
过程控制概述
过程控制的任务及要求
过程控制的任务及要求
工业生产对过程控制的要求主要有三个方面：
安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保 护或减少生产过程对环境的影响；
稳定性：具有抑制外部干扰、保持生产过程长期 稳定运行的能力。
经济性：实现效益最大化或成本最小化。过程控制概述过程控制的 Nhomakorabea务及要求
过程控制与其它相关学科
控制原理 与方法
最优化 方法与技术
系统仿真 技术
控制工程
计算机 与网络技术
生产工艺 与对象机理
测量与控制 仪表
过程控制
第2章 控制对象的动态特性
1
dh dt t 0
dh ( )max / 0 dt K 0 T K 0 0 T
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小 结
综上所述，有自平衡能力的单容被控对象的动态特 性可以用两组4个参数描述，它们之间的关系为：
K 0 1 K 时间常数：T＝ dh dt t 0 h 1 放大系数：K 0 0 1 自平衡率：＝ h ＝ K dh K dt 飞升速度：＝ max 0 T
h t
K 0 F
t
（2-4）
能源与动力工程学院 2、特征参数 （1）飞升速度ε 飞升速度是指在单位阶跃扰动作用下，被控对象输出端被控量 的最大变化速度，根据定义可得：
dh K dt t 0 1 0 F Ta
（2）自平衡率ρ
因此飞升时间越大，被控量的变 化速度和系统的反应时间越慢。
t T
能源与动力工程学院
由上式可知，在t＝0时水位h的变化速度最快，代入可得：
K 0 h dh dt t 0 T T
在t＝0时水位h的变化速度等于图中响应曲线起始点切线 的斜率，因此当被控对象的输入端控制量产生阶跃变化后，输 出的被控量保持初始速度达到稳态值所需的时间即为时间常数 T。 当t＝3T时：
系统的输入量为输出量为主水槽水位h能源与动力工程学院1阶跃响应有自平衡双容水槽被控对象阶跃响应曲线能源与动力工程学院有自平衡双容水槽被控对象方框图2传递函数前置水槽主水槽25有自平衡双容水槽被控对象传递函数两个一阶惯性的串联双容对象放大系数前置水槽时间常数主水槽时间常数标准化
能源与动力工程学院
第二章 热工对象动态特性
1、阶跃响应与传递函数
过程控制理论知识点
1过程控制的任务和要求要求三项：安全性经济性稳定性，过程控制的任务就是在了解掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。
过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完成的。
2常用过程控制系统分为哪几类三类1.反馈控制系统（根据被控参数与给定值的偏差进行控制的）2.前馈控制系统（根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据）3.前馈-反馈控制系统（前馈控制的主要优点是能迅速及时克服主要扰动对被控量的影响，而前馈反馈能控制利用的反馈控制克服其他扰动，能够使被控量迅速而准确的稳定在给定值上，提高系统的控制质量）1过程控制系统在运行中状态有几种?过程控制系统时域性能指标包括哪些？它们分别反应系统哪些方面性能？两种，一种是稳态，此时系统没有收到任何外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。
一种是动态，当系统收到外来干扰的影响或者在改变了设定值之后原来的稳态受到破坏，各部分输入输出都发现变化。
时域性能指标（衰减比和衰减率，最大动态误差和超调量，残余偏差，调节时间和振荡频率）衰减比是衡量一个振荡过程的衰减程度的指标，它相当于两个相邻的波峰值之比。
衡量震荡频率过程衰减程度的另一个指标是衰减率，指的是每经过一个周期，波动幅度衰减的百分数。
最大动态误差和超调量最大动态误差是指设定阶跃响应中，过度过程开始后第一个波峰超过其新稳态值的幅度，最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分比称为超调量残余偏差是指过渡结束之后被调量新的稳态值Y（∞）与新设定值r之间的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量指标调节时间和振荡频率调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间过渡过程的振荡频率也可以作为衡量控制系统快速性的一个指标那你。
2什么是被控过程的特性？什么是被控过程的数学模型？目前研究过程数学模型的主要方法有哪些？指被控过程是否容易控制。
动态系统稳定性及控制策略分析
动态系统稳定性及控制策略分析动态系统稳定性及控制策略分析是一个在控制工程领域中非常重要的主题。
在现代工业中，各种动态系统用于控制和调节各个过程，以达到稳定和优化的目标。
因此，了解动态系统的稳定性及采取合适的控制策略是非常关键的。
动态系统稳定性是指系统在一定范围内是否能保持稳定状态的性质。
对于一个动态系统来说，存在两种基本的稳定性：渐进稳定性和非渐进稳定性。
渐进稳定性是指系统在经过一段时间后，可以逐渐趋向于稳定状态。
这种稳定性是一种理想的性质，能够确保系统能够从干扰和变动中恢复，并保持在期望的状态。
对于渐进稳定性的动态系统，我们可以采用一系列的控制策略来保持其稳定性，例如比例积分控制器（PI控制），模型预测控制（MPC）等。
非渐进稳定性是指系统在存在干扰或变动时，可能不会逐渐恢复到稳定状态，而是会产生震荡或跃迁的现象。
这种稳定性通常是由系统本身的非线性特性或者外界环境因素所引起的。
对于非渐进稳定性的动态系统，我们需要采取一些特殊的控制策略来防止系统失控，例如模糊控制，滑模控制等。
在动态系统的控制策略分析中，我们需要考虑系统的特点和目标，并选择合适的控制器来实现稳定。
在实际应用中，选择合适的控制策略是一个非常关键的步骤，它会直接影响到系统的性能和稳定性。
在选择控制策略时，我们首先需要对系统进行建模和分析，了解系统的动态特性和稳定性。
建模可以基于物理原理、实验数据或者数学模型。
然后，我们可以通过系统的传递函数、状态空间模型或者差分方程来分析系统的稳定性，包括极点分析、根轨迹分析等。
接下来，我们可以根据系统的特点，选择适当的控制策略。
常见的控制策略包括比例控制，积分控制，微分控制，先进控制策略如模型预测控制、自适应控制等。
对于线性系统，可以使用经典控制理论，例如PID控制器。
而对于非线性系统，则需要采用非线性控制方法，例如模糊控制、滑模控制等。
最后，在实际应用中，我们还需要考虑到各种约束和限制条件。
例如，系统的动态响应时间、稳态误差、控制器的参数设定等。
过程控制控实验报告
实验一 单容自衡水箱特性的测试一、实验目的1. a 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K 、T 和传递函数。
二、实验设备1. A3000高级过程控制实验系统2. 计算机及相关软件 三、实验原理由图2.1可知，对象的被控制量为水箱的液位h ，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q 1，Q 2为流出水箱的流量。
手动阀QV105和闸板QV116的开度（5~10毫米）都为定值。
根据物料平衡关系，在平衡状态时：0Q Q 2010=- （1） 动态时则有： dtdVQ Q 21=- （2） 式中V 为水箱的贮水容积，dtdV为水贮存量的变化率，它与h 的关系为Adh dV =，即：dtdhA dt dV = （3） A 为水箱的底面积。
把式（3）代入式（2）得：QV116V104V103h∆h QV105QV102P102LT103LICA 103FV101MQ 1Q 2图2.1单容水箱特性测试结构图图2.2 单容水箱的单调上升指数曲线dtdhA=-21Q Q （4） 基于S 2R h Q =，R S 为闸板QV116的液阻，则上式可改写为dtdhA R h Q S =-1，即：或写作：1)()(1+=TS Ks Q s H （5） 式中T=AR S ，它与水箱的底积A 和V 2的R S 有关；K=R S 。
式（5）就是单容水箱的传递函数。
若令SR s Q 01)(=，R 0=常数，则式（5）可改为： TS KR S R K S R T S T K s H 0011/)(0+-=⨯+= 对上式取拉氏反变换得： )e -(1KR h(t)t/T0-= （6）当∞→t 时0KR )h(=∞，因而有=∞=0R )h(K 阶跃输入输出稳态值。
当t=T 时，则)h(KR )e-(1KR h(T) 001∞===-0.6320.632。
式（6）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2.2所示。
过程控制第三章第9,10,11讲
过程静态特性是选择控制参数的重要依据。 结论：扰动通道静态放大系数Kf 越大，则系统 的稳态误差越大，降低了控制质量。控制通道 的静态放大系数K0越大，表示控制作用越灵敏， 克服扰动的能力越强。 因此确定控制参数时，使K0大于Kf是合理的。 这一要求不能满足时，调节Kc的值来补偿，使 K0 Kc值远大于Kf 。
结论：扰动通道的时间常数 T f 愈大，容积愈多，则扰动
通道对被控参数的影响也愈小，控制质量也愈好
（2）时延τf 的影响
有纯滞后时系统对扰动的闭环传递函数为
Y ( s) F ( s ) 1 Wc ( s )W0 ( s)
根据拉氏变换的平移定理，被控量的时间响应为
W f ( s )e
f s
y(∞) t
ห้องสมุดไป่ตู้
图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线
控制系统的阶跃响应性能指标小结
稳定性 衰减比n = 4:1~10:1最佳
准确性 余差C小好
最大偏差 A 小好 快速性 过渡时间 Ts 短好
各品质指标之间既有联系、又有矛盾。例如， 过分减小最大偏差，会使过渡时间变长。因此， 应根据具体工艺情况分清主次，对生产过程有决 定性意义的主要品质指标应优先予以保证。
三、控制参数的选择
控制参数又称为控制变量或控制量。 在生产过程中，可能有几个控制量可供 选择来影响被控参数。选择不同的控制 参数就有不同的控制通道和扰动通道。 不同的控制通道和扰动通道的控制质量 是不相同的。因此应选择较优的控制参 数，即正确选择控制通道。
三、控制参数的选择
（一）过程静态特性分析
在新稳态值（ 205℃）两侧以宽度为±4.1℃画一 区域（阴影线）。曲线进入时间点 Ts = 22min
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KC
;
G
P
(S
)
KP TPS 1
;
G
f
(S
)
K Tf S
f
1
对于定值控制系统：R(S)=0 , E(S) Y (S)
Y(S)
G f (S)
.F (S)
(TPS 1).K f
.F (S)
1 GC (S)GP (S)
(TPS 1)(Tf S 1) KC .KP (Tf S 1)
根据终值定理，在单位阶跃干扰输入下： F(S) 1
H1 k2
H2
机理建模举例：非自衡过程
Qi A
Q(t)
Qo
Qi
t 0
h(t)
Q0
物料平衡方程： t
A
dh dt
Qi
Q0
纯滞后过程
纯滞后过程：某些过程在输出变量改变后，输出变量并不立即改变，而 要经过一段时间才反应出来的过程。
纯滞后时间：在输入变量变化后，看不到系统对其相应的这段时间τ。
阀门
uτ y
典型自衡工业对象 的阶跃响应
u(t)
u1
u0
0
y(t)
y1
p y0
τT
T0
T1 T2
T3
对象的近似模型：
y(s) K e s u(s) Ts 1
对应参数见左图，而增益为：
t
K y1 y0
u1 u0
ymax ymin umax umin
[ymin, ymax]为CV的测量范围； [umin, umax]为MV的变化范围，对于 t 阀位开度通常用0~100%表示。
流体运动方程： Qo k H
Qo
A dH dt
Qi
k
H
对象机理建模举例
Qi
H1
Q1
A1
H2 A2
物料平衡方程：
A1
dH1 dt
Qi
Q1,
A2
dH 2 dt
Q1 Q2
流体运动方程：
Q1 k1 H1 , Q2 k2 H 2
Q2
A1
dH1 dt
Qi
k1
H1 ,
A2
dH 2 dt
k1
过程动态特性建模与分析
基本要求
了解典型工业过程的动态特性类型； 掌握简单被控过程的机理建模方法； 掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型
测试方法。 了解对象特性对系统的影响 了解调节阀对系统性能的影响 了解测量变送环节对系统的影响
单回路控制系统组成
设定值 ysp
+
_
偏差 e
控制器 Gc (s)
对象特性参数的确定
假设温度测量变 送器的量程为200 ~ 400℃。
Kp
355 320 400 200
60 50 100 0
1.75
Tp T 2 T1 9
T1T0 6
“广义对象”的概念
ysp(t) +_
扰动 D(t)
干扰通道 GD (s)
控制器 u(t) GC (s)
执行器 q(t) GV (s)
测试建模
原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激 励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对 这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。 特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。
对象机理建模举例
Qi
H A
物料平衡方程：
A dH dt
Qi Qo
工业过程控制对象的特点
除液位对象外的大多数被控对象本身是 稳定自衡对象；
对象动态特性存在不同程度的纯迟延； 对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流
量对象外的被调量的变化相对缓慢； 被控对象往往具有非线性、不确定性与
时变等特性。
对象特性对控制质量的影响
一、对象静态特性分析（续）
设：G
C
(S
)
Kp不能太大，超过一定界线造成灵敏度过高， 会破坏系统稳定性。
二、对象动态特性分析
⒈ 干扰通道Tf 、 f 对控制质量的影响。
① Tf 对控制质量的影响 Tf ↑→滤波能力↑→干扰对被控变量的影响
↓→超调量 ↓→控制质量 ↑ 。
② f 对控制质量的影响
G
' f
(S)
Gf
(S ).e
f
S
即干扰作用迟了一段时间 f ，从理论上
控制变量 u
扰动 D
执行器 Gv (s)
操纵变量 q
被控对象
干扰通道 GD (s)
+ 控制通道 +
Gp (s)
被控变量 y
测量值 ym
测量变送 Gm (s)
被控对象动态建模方法
机理建模
原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、 能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程， 由此获得被控对象的动态数学模型。 特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。
Kf 1 KcKp
1 e
1 2
Kf↑→A↑↑ →动态控制质量↓
一、对象静态特性分析（续）
2. Kp对控制质量的影响
根据系统过渡过程余差、最大偏差这两个质量
指标表达式可见：系统静态控制质量或动态控
制质量都希望Kp 大些。
Kp ↑→控制作用灵敏，抑制干扰能力强。
Kp在前项通道与 Kc相串，调整Kc，在一定范 围 合内 。可补偿Kp ，达到控制过程Kp Kc的最佳配
S
定值控制系统的余差为：
e()
lim
e(t) t
lim
s.e ( s s0
)
Kf 1 KcKp
一、对象静态特性分析（续）
结论：系统余差与对象的静态特性有关；
1. Kf对控制质量的影响 Kf 对系统静态或动态控制质量都有害：
对于静态质量： Kf↓→e(∞)↓→质量↑ 对于动态质量：其最大偏差A等于
控制通道 GP (s)
+ +
y(t)
广义对象
测量变送 Gm (s)
ym (t)
“广义对象” 的特点
扰动 D
ysp(t)
偏差 e 控制器
u(t)
义对象
干扰通道 GD 1 (s)
+ 控制通道 +
GP 1 (s)
ym (t)
特点：（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。
无振荡自衡过程模型
GP
(s)
K Ts 1
e
s
GP
(s)
(T1s
K 1)(T2 s
1)
e
s
GP (s)
K (Ts 1)n
e
s
无振荡非自衡过程模型
GP
(s)
K Ts
e
s
GP (s)
K s(Ts 1)
e s
具有反向特性的非自衡过程模型
GP (s)
K (T0s 1) s(T1s 1)
e
s
“广义对象”动态特性的 阶跃响应测试法*
＝ l v
输出u
y 重量 调节器 设定r
传递函数为G(S)=e-
频率特性为G(j)=e-j
静态增益和动态增益均为1。
由它产生的相角，大小为Φ=-ωτ 。
过程控制广义对象动态特性分类
自衡过程 (1) 无振荡的自衡过程 (2) 有振荡的自衡过程
非自衡过程 (1) 无振荡的非自衡过程 (2) 有振荡的非自衡过程 (3) 具有反向特性的非自衡过程