简单控制系统生产过程动态特性
2过程特性
c ( )
t
(2) 扰动通道的放大系数Kf
定义：在操纵变量q(t)不变的 情况下，过程受到幅度为Δf 的阶跃扰动作用，过程从原 有稳定状态达到新的稳定状 c() 态时被控变量的变化量 与扰动幅度Δf之比。
c() c() c(0) Kf f f
f(t)
f
f(0) t
热物料
机理建模：
蒸汽
换热器pp14
冷物料
由前面的分析可得：
一阶被控过程控制通道的动态方程为：
d c(t ) To c(t ) Ko q(t ) dt
有纯滞后
q(t 0 )
一阶被控过程扰动通道的动态方程为：
d c(t ) Tf c(t ) K f f (t ) dt
q(t)
A O
q
t
放大系数
时间常数
K=B/A
T
c(t)
纯滞后
τ
B
O τ T
t
一阶系统
q(t)
A O
q
t
放大系数K: K=[c(t)-c(0)]/A 时间常数T:
c(t)
T=2、3之间的距离
3 2 T 纯滞后
纯滞后τ :
t
c(0) 1
τ=1、2之间的距离
二阶系统
阶跃扰动法直观、简便易行、所以得到了广泛的 应用。
2.1 过程特性的类型
控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量
控制装置
测量值 y(t)
u(t)
执行器
q(t)
过程
c(t)
检测元件、变送器
简单控制系统方块图 过程：需要实现控制的机器、设备或生产过程
过程控制工程过程动态特性分析
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
管理学控制系统的含义和特点
管理学控制系统的含义和特点
管理学中的控制系统是指一种用于监督和调节组织内部活动的
机制。
其含义是通过设定标准和目标，收集信息，进行比较分析，
并采取必要的纠正措施，以确保组织的运作与预期目标保持一致。
控制系统的特点包括：
1. 目标导向，控制系统的核心是确保组织的活动与设定的目标
一致，因此它是目标导向的。
2. 反馈机制，控制系统通过收集和分析信息，对组织的实际表
现进行评估，并进行必要的调整，以保持组织活动的正常运作。
3. 灵活性，控制系统需要具有一定的灵活性，能够适应环境变
化和组织内部的动态变化，以保持其有效性。
4. 多层次性，控制系统通常是多层次的，涵盖了组织的各个层面，从战略层到操作层都需要进行控制。
5. 连续性，控制系统是一个持续进行的过程，不断地收集信息、分析数据、进行调整，以确保组织的活动不偏离预期目标。
总的来说，管理学中的控制系统是一种目标导向、具有反馈机制、灵活性强、多层次、持续进行的机制，用于监督和调节组织内部活动，以确保组织的运作与预期目标保持一致。
过程控制习题与答案
过程控制习题与答案(总10页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--第1章绪论思考题与习题1-1 过程控制有哪些主要特点为什么说过程控制多属慢过程参数控制解答：1．控制对象复杂、控制要求多样2. 控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成1-2 什么是过程控制系统典型过程控制系统由哪几部分组成解答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。
组成：控制器，被控对象，执行机构，检测变送装置。
1-3简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义解答：被控对象自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。
被控变量被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。
操纵变量受控制器操纵的，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。
扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。
设定值被控变量的预定值。
偏差被控变量的设定值与实际值之差。
1-4按照设定值的不同形式, 过程控制系统可分为哪几类解答：按照设定值的不同形式又可分为:1．定值控制系统定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言.2.随动控制系统随动控制系统的设定值是不断变化的.随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化3.程序控制系统程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。
1-5 什么是定值控制系统解答：在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
1-6 什么是被控对象的静态特性什么是被控对象的动态特性为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义解答：被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。
第一章简单控制系统4
第一章 简单控制系统
Chapter 1 simple control system
大连民族学院机电信息工程学院
College of Electromechanical ＆ Information Engineering
工业生产过程控制
本章主要内容
控制系统组成和控制性能指标 过程动态特性和建立过程的动态模型 检测变送环节 执行器环节 控制器的模拟控制算法 控制器的数字控制算法 控制器参数整定和控制系统投运 与PID控制密切相关的几类控制算法
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工业生产过程控制
PID 控制作用
• 比例作用P引入适当微分作用D后，幅值增 加，相位超前，使稳定性裕度提高，为保 持同样稳定性裕度， Kc应增加10-20%( 比例度δ应减少10-20%)。微分作用D可以 克服容滞后，但对时滞毫无作用。微分时 间Td越大，微分作用越强， Td=0无微分作 用。
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Байду номын сангаас
工业生产过程控制
微分控制 它依据“偏差变化速度”来进行 控制。它的输出变化与输入偏差变化的速度成比 例，其实质和效果是阻止被控变量的一切变化， 有超前控制的作用。对滞后大的对象有很好的效 果。用微分时间表示其作用的强弱。Ｔd大，作 用强。Ｔd太大，会引起振荡。
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I：积分作用，输出为偏差的积分。 积分时间
D：微分作用，输出为偏差的微分。
P
Ti
100 KC
仪表中不用Kc，而用比例度P：
微分时间 T 大连民族学院机电信息工程学院 d
工业生产过程控制
纯比例控制器
u(t) Kce(t) u0
计算机过程控制
考虑水位只在其稳态值附近的小范围内 变化 将式（l－10）加以线性化
16
上式是最常见的一阶系统，它的阶跃响应 是指数曲线，如图1．3所示，与电容充电 过程相同。把水槽的充水过程与RC回路 （见图1．4）的充电过程加以比较。
由（1－12）和（1－13）
差， ITAE：惩罚过渡过程拖得过长。
误差积分指标并不能都保证控制系统具 有合适的衰减率，衰减率是人们首先关 注的。一个等幅振荡过程的IE却等于零， 显然极不合理。
首先规定衰减率的要求，再考虑使误 差积分为最小
10
过程控制中被控对象：工业生产过程中的各种装置和设 备，例如换热器、工业窑炉、蒸汽锅炉、精馏塔、反应 器等等。被调量通常是温度、压力、液位、成分、转速 等。
有一个区别：在它的流出侧装有一只排水泵。 水泵的排水量仍然可以用负载阀R来改变，但排水量
并不随水位高低 而变化。这样，当负载阀开度固定不 变时，水槽的流出量也不变，因而在式（1－12）中有 △Q0=0．水位在调节间开度扰动下的变化规律为:
6
3．残余偏差：过渡过程结束后，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。
4．调节时间和振荡频率 ： 调节时间：从过渡过程开始到结束所需的时间。
当被调量已进入其稳态值的士5％范围内，就算过 渡过程已经结束；衡量控制系统快速性的一个指 标。
过渡过程的振荡频率：也可以作为衡量控制系 统快速性的指标。
节阀开度μ，流出量Q0则由用户根据需要通过
负载阀R来改变。被调量为水位H，它反映水的 流入与流出量之间的平衡关系。现在分析水位 在调节阀开度扰动下的动态特性。 显然，在任何时刻水位的变化均满足下述物料 平衡方程：
PID控制系统的静、动态特性
反馈的优点
减小系统的稳态误差； 减小对象G(s)的参数变化对输出的影响； 使系统的瞬态响应易于调节； 抑制干扰和噪声。
反馈的代价
增加了元器件的数量和系统的复杂性； 增益的损失； 有可能带来不稳定性。
y(t)
r(t ) kyreq (t ), e(t ) r(t ) ky(t ) k ( yreq (t ) y(t )) ess lim e(t )
t
为计算稳态误差，应用Laplace终值定理，即 s lim e(t ) lim sE ( s) lim R( s ) t s 0 s 0 1 kG( s ) 当输入信号为以下三种典型信号之一时，稳态误差为
PID控制器设计的一般原则
观察系统开环响应，确定待改进之处； 加入比例环节缩短系统响应时间；（动态性能）
加入积分控制减小系统的稳态误差；（静态性能）
加入微分环节改善系统的超调量； （动态性能） 调节 KP，KI，KD ，使系统的响应也叫三项控制器，它包括一个比例项，一个积 分项和一个微分项，其传递函数为 K G ( s) K P I K D s s
详细可参见课本：P11第四节、P13控制系统的品质指标
稳态误差
一个稳定系统在输入量或扰动的作用下，经历过渡过程进 入静态后，静态下输出量的要求值和实际值之间的误差。 记为 ess ess lim yreq (t ) y (t ), yreq (t )为输出要求值
t
r(t) -
e(t) G(s) k
而对闭环系统则有
Y ( s) G( s) R( s)
动态性能指标
上升时间：响应曲线首次从静态值的10％过渡到90％所需的时间，记 为tr； 峰值时间：响应曲线第一次达到峰值点的时间，记为tp。
动态控制原理
动态控制原理动态控制原理是控制工程中的重要理论，它主要研究动态系统的控制方法和原理。
动态系统是指系统的状态随时间变化的过程，动态控制原理就是研究如何通过控制方法来改变系统的动态特性，使系统的输出能够满足要求。
在工程实践中，动态控制原理被广泛应用于飞行器、汽车、机械设备、电力系统等领域，对于提高系统的稳定性、精度和性能具有重要意义。
动态控制原理的基本概念包括系统的动态特性、控制器的设计、系统的稳定性分析等。
首先，动态系统的动态特性是指系统对外部输入的响应过程，它可以用传递函数、状态空间模型等数学工具来描述。
控制器的设计是指根据系统的动态特性，设计合适的控制器来实现对系统的控制。
控制器可以是比例积分微分（PID）控制器、模糊控制器、神经网络控制器等。
系统的稳定性分析是指分析系统在受到外部干扰或参数变化时，能否保持稳定。
稳定性分析可以通过根轨迹、频域分析等方法来进行。
动态控制原理的核心思想是通过设计合适的控制器来实现对系统的控制。
控制器的设计需要考虑系统的动态特性和控制要求，以实现对系统的稳定性、精度和性能的要求。
在实际工程中，动态控制原理可以应用于飞行器的姿态控制、汽车的车身稳定控制、机械设备的位置控制、电力系统的电压稳定控制等方面。
通过动态控制原理的应用，可以提高系统的稳定性和控制精度，实现对系统的精确控制。
动态控制原理的研究也面临着一些挑战和困难。
首先，动态系统的动态特性往往是复杂的，需要深入的数学理论和分析方法来描述和分析。
其次，控制器的设计需要考虑到系统的非线性、时变性等因素，这对控制器的设计提出了更高的要求。
此外，系统的稳定性分析也需要综合考虑系统的动态特性和外部环境的影响，这对分析方法和工程实践提出了挑战。
总之，动态控制原理是控制工程领域的重要理论，它研究了动态系统的控制方法和原理。
动态控制原理的应用可以提高系统的稳定性、精度和性能，对于工程实践具有重要意义。
在未来的研究和工程实践中，动态控制原理将继续发挥重要作用，促进控制工程技术的发展和应用。
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被控对象就是正在运行着的各种各样的被控制的生产工艺设 备，例如各种加热炉、锅炉、发酵罐、热处理器、精馏塔等。
流入量 和 流出量 的概念 从物质或能量角度 来理解系统的流入量和流出量 从物理角度来理解二者的平衡关系 从系统角度看，二者均是被控对象的输入量
被控对象具有大的储蓄容积，因而属于慢过程 传输迟延/纯迟延：信号传输途中出现的迟延 注意从物理概念及系统角度进行分析
静态数学模型描述的是对象在稳定时（静态）的输入与 输出关系；
动态数学模型描述的是在输入量改变以后输出量跟随变 化的规律；
动态数学模型是更精确的模型，静态数学模型是动态数 学模型在对象达到平衡时的特例
2020年10月6日星期二 00:09
No. 2
系统的动态特性
对象受到干扰作用或调节作用后,被调参数跟随变化规律
➢ 根据被控对象的内在机理，列写原始动态方程组。
➢ 消去中间变量，得到只含有输入变量和输出变量 的微分方程式或传递函数。
➢ 在满足控制工程要求的前提下对动态数学模型进 行必要的简化。
2020年10月6日星期二 00:09
No. 9
例一：一阶对象（有自衡特性的单容对象）
kμ
Q1
h(t)
h
F
Rs Q2
kμ
Q1
由此可得：
Q1 k (t)
化为标准形式 ：
Q2 k h
h
F
dh dt
1 F
(k
k
h)
2020年10月6日星期二 00:09
dh k dt
h
1 F
k
No. 13
Rs Q2
线性化处理 ：
Q2
Q(h0 ) h
2
k h0
h
1 Rs
h
Rs称为液阻：
Rs
2
h0 k
可得一阶水箱对象的增量微分方程为：
2020年10月6日星期二 00:09
No. 1
基本概念
对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出
量之间的关系；对象的数学模型：对象特性的数学描述,即 被控对象的输出量（被控量）在输入量（控制量和 扰动量）作用下变化的数学函数关系式。 ——建立这
种数学关系的过程称作数学建模 对象特性的分类
n阶惯性环节加纯迟延
Gp
(s)
K
Ts 1n
e s
另外一种自衡过程的 表示方法是，用有理 式加纯迟延,略
2020年10月6日星期二 00:09
No. 5
2. 无自衡的非振荡过程：较为常见的过程特性，传
递函数形式如下
所谓无自平衡过程是指受扰过程的平衡状态被破坏后，在没有源自作人员或仪表非自衡过程应包含积
存物料或能量的能力，储存能力的大小通常用容量 或容量系数表示，其表示符号为C。其物理意义是： 引起单位被控量变化时被控对象储存能量、物料量 变化的大小。
2020年10月6日星期二 00:09
No. 12
例一：一阶对象（有自衡特性的单容对象）
由体积守恒可得：
且阀门特性为：
dh dt
1 F
(Q1
Q2 )
No. 3
对象动态特性的研究方法
★理论分析
根据系统工艺实际过程的数、质、量关系，分析计算输入量与输出量之间的关 系
★实验研究
有些系统的输入与输出之间的关系是比较难以通过计算来获得的。需要在实际 系统或实验系统中，通过一组输入来考察输出的跟随变化规律——反映输入与 输出关系的经验曲线和经验函数关系
Gp
(s)
K (1 Td s)
T1s 1T2s 1
es
Gp (s)
K (1 Td s)
sTs 1
es
反向特性
2020年10月6日星期二 00:09
No. 8
机理法建立被控对象的数学模型
机理法建模的基本步骤如下：
➢根据建模过程和模型使用目的做出合理假设。
➢根据被控对象的结构以及工艺生产要求进行基本分 析，确定被控对象的输入变量和输出变量。
故有： 即：
Q1
Q2
dV dt
dh 1
dt F (Q1 Q2 ) 其中F是横截面积。
2020年10月6日星期二 00:09
No. 11
机理法建立被控对象的数学模型
由上可见，液位变化dh/dt由两个因素决定：
➢一是储存罐的截面积F；
➢一是流入量与流出量之差Q1-Q2。 F越大，dh/dt越小；Q1-Q2越大，dh/dt越大。 在过程控制系统中，被控对象一般都有一定储
等干预下，依靠被控过程自身能力不能 重新回到平衡状态。
分环节，加纯迟延：
Gp
(s)
K Ts
es
Gp
(s)
K
sTs 1
es
2020年10月6日星期二 00:09
No. 6
3. 自衡的振荡过程：传递函数形式如下
Gp
(s)
(T
2s2
K
2Ts
1)
es
2020年10月6日星期二 00:09
No. 7
4. 具有反向特性的过程 传递函数形式如下
2020年10月6日星期二 00:09
No. 4
大多数工业过程的动态特性分属于下列四种类型：
1. 有自衡的非振荡过程：
一阶惯性环节加纯迟延
Gp
(s)
K Ts 1
es τ为过程的纯 滞后时间
二阶惯性环节加纯迟延
Gp
(s)
T1s
K
1T2 s
1
es
所谓自平衡过程是指被控对象在扰动 作用下，平衡状态被破坏后，不需要 操作人员或仪表的干预，依靠自身能 够恢复平衡的过程。
dh dt
1 F
(k
1 Rs
h)
以平衡态为起点，则可去掉增量符号得线性微分方程
2020年10月6日星期二 00:09
dh 1 h k
dt Rs F F
No. 14
机理法建立被控对象的数学模型
取Laplace变换，可得液位变 化与流入量(开度)之间的传递 函数(一般形式)：
G(s) H (s) K
研究系统动态特性的核心是：寻找系统输入与输出之 间的规律(函数)
系统输入量：干扰作用、调节作用 系统输出量：系统的主要被调参数、副作用
数学模型的表示方法
非参量模型：用曲线、图表表示的系统输入与输出量之间的关系； 参量模型：用数学方程式表示的系统输入与输出量之间的关系
2020年10月6日星期二 00:09
(s) Ts 1
其中T为过程时间常数，K为 过程放大系数。
有自平衡过程的阶跃 响应过程
2020年10月6日星期二 00:09
t0
t
其中：kμ调节阀阀门系数；RS手动阀门局部阻力系数，
截面积为F，负荷Q2，输入阀门开度μ ，被调量h
2020年10月6日星期二 00:09
No. 10
机理法建立被控对象的数学模型
根据物料平衡关系(体积守恒)，即在单位 时间内储存罐的液体流入量与单位时间内储 存罐的液体流出量之差，应等于储存罐中液 体储藏量的变化率。