生产过程的动态特性
机械设计中的动态特性与优化方法
机械设计中的动态特性与优化方法在现代工业领域中，机械设计的重要性不言而喻。
随着科技的不断进步和应用需求的日益复杂，对于机械产品的性能要求也越来越高。
其中，机械设计中的动态特性成为了影响产品质量和性能的关键因素之一，而优化方法的研究和应用则为提升机械设计的水平提供了有力的支持。
机械设计中的动态特性，简单来说，就是机械系统在运动过程中的各种表现和特征。
这包括了振动、噪声、稳定性、响应速度等多个方面。
一个具有良好动态特性的机械系统，能够在工作过程中保持稳定、高效、低噪，并且具有较长的使用寿命。
相反，如果动态特性不佳，可能会导致机械故障、性能下降、甚至危及操作人员的安全。
让我们先来看振动这一重要的动态特性。
在机械运转时，部件之间的相互作用以及外部的激励常常会引起振动。
过度的振动不仅会产生噪声，还可能会导致零件的疲劳损坏，影响整个机械系统的精度和可靠性。
例如，在汽车发动机中，活塞的往复运动、曲轴的旋转等都会产生振动，如果这些振动不能得到有效的控制，就会影响发动机的性能，降低车辆的舒适性。
噪声也是机械动态特性中需要关注的一个方面。
噪声不仅会对操作人员的健康造成影响，还可能违反相关的环保法规。
在许多机械设备中，如机床、风机等，由于零件之间的摩擦、气流的冲击等原因，会产生较大的噪声。
通过对机械结构的优化设计，合理选择材料和加工工艺，可以有效地降低噪声水平。
稳定性是机械系统正常运行的基本要求。
当机械系统受到外界干扰时，如果能够迅速恢复到原来的工作状态，就说明其具有较好的稳定性。
否则，可能会出现失稳现象，导致机械故障甚至事故的发生。
例如，在飞机的飞行过程中，机翼的振动稳定性对于飞行安全至关重要。
响应速度则反映了机械系统对输入信号的快速反应能力。
在一些自动化生产设备中，需要机械系统能够快速准确地响应控制信号，以实现高效的生产过程。
那么，如何优化机械设计中的动态特性呢？这需要综合运用多种方法和技术。
首先，在设计阶段就要充分考虑动态特性的要求。
过程控制系统综述-
所谓过程控制是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。
一﹑过程控制的特点及分类方法过程控制的特点是与其他自动化控制系统相比较而言的，大致可归纳如下：1.连续生产过程的自动控制。
2.过程控制系统由过程检测、控制仪表组成。
3.被控过程是多种多样的、非电量的。
4.过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制。
5.过程控制方案十分丰富。
6.定值控制是过程控制的一种常用形式。
7.被控对象的多样性：过程工业涉及到各种工业部门，其物料加工成的产品是多样的。
同时，生产工艺各不相同。
过程控制系统的分类方法很多，若按被控参数的名称来分，有温度、压力、流量、液位、pH等控制系统；按控制系统完成的功能来分，有比值、均匀、分程和选择性控制系统；按调节器的控制规律来分，有比例、比例积分、比例微分、比例积分微分控制系统；按被控量的多少来分，有单变量和多变量控制系统；按采用常规仪表和计算机来分，有仪表过程控制系统和计算机过程控制系统等。
但最基本的分类方法有以下两种：按系统的结构特点来分反馈控制系统，前馈控制系统，复合控制系统（前馈-反馈控制系统）按给定值信号的特点来分定值控制系统，随动控制系统1.反馈控制系统偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的。
反馈信号可能有多个，从而可以构成多回路控制系统（如串级控制系统）。
2.前馈控制系统扰动量的大小是控制的依据，控制“及时”。
属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。
3.闭环与开环控制系统反馈是控制的核心！只有通过反馈才能实现对被控参数的闭环控制！开环控制系统不能自动地“察觉”被控参数的变化情况，也不能判断控制参数的校正作用是否适合实际需要。
闭环控制系统在过程控制中使用最为普遍。
4.定值控制系统定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。
在运行时，系统被控量（温度、压力、流量、液位、成份等）的给定值是固定不变的。
自动控制原理习题
《自动控制原理》习题习题11有一水位控制装置如图所示。
试分析它的控制原理，指出它是开环控制系统闭环控制系统？说出它的被控量，输入量及扰动量是什么？绘制出其系统图。
2某生产机械的恒速控制系统原理如图所示。
系统中除速度反馈外，还设置了电流正反馈以补偿负载变化的影响。
试标出各点信号的正负号并画出框图。
Ifi I id斷一实#事忡%—岭甲康fi3图示为温度控制系统的原理图。
指出系统的输入量和被控量，并画出系统框图。
4•自动驾驶器用控制系统将汽车的速度限制在允许范围内。
画出方块图说明此反馈系统。
5•双输入控制系统的一个常见例子是由冷热两个阀门的家用沐浴器。
目标是同时控制水温和流量，画出此闭环系统的方块图，你愿意让别人给你开环控制的沐浴器吗？6•开环控制系统和闭环控制系统各有什么优缺点？7•反馈控制系统的动态特性有哪几种类型？生产过程希望的动态过程特性是什么?习题21试分别写出图示各无源网络的传递函数'o习题3图+ ------- I I -----+习题1图2求图示各机械运动系统的传递函数。
(1)求图a 的(2)求图b 的=? (3)求图c 的=?习题2图3试分别写出图中各有源网络的传递函数U(s )/ U i (s )。
(b )4交流伺服电动机的原理线路和转矩-转速特性曲线如图所示。
为电动机的输出转矩。
N 为电动机的转矩。
由图可 T 与n 、u 呈非线性。
设在某平衡状态附 近用增量化表示的转矩与转速、控制电压关系方程为k n、k c为与平衡状态有关的值，可由转矩一转速特性曲线求得。
设折合到电动机的总转动惯 量为J ,粘滞摩擦系数为f ,略去其他负载力矩，试写出交流伺服电动机的方程式 并求输入为U c ，输出为转角B 和转速为n 时交流伺服电动机的传递函数习题4图习题5图6已知一系统由如下方程组组成，试绘制系统框图，求出闭环传递函数。
⑶=x r ⑻6⑶- 4何［恥）- 4何厮何 卫何二厲何［禺何-耳⑻卫⑻］7系统的微分方程组如下:图中，u 为控制电压.T強）啟）5图示一个转速控制系统， 输入量是电压 图，并写出其输入输出间的数学表达式。
第5章-过程控制对象的动态特性
流出的水量Q2随水位而变化，二者之间的关系为
h h Q2 或 Rs Q Rs 2
式中 Rs——流出管路上阀门2的阻力， 也称液阻。
5.1.1 水槽水位的动态特性分析
Rs物理意义是：若使流出量增加1m3/s，液位 应该升高多少。当水位变化范围不大时，可认为 Rs为常数，即流出量Q2的大小取决于水槽中水位h 和流出管路上阀门的阻力Rs。 严格地说， Rs并非是一个常数，它与水位、 流量的关系是非线性的。 实际应用中，常采用切线法将非线性特性进 行线性化处理。
不能实时反映，也即无法达到控制的实时性。
5.3 动态特性测定的实验法及时域法
工业过程的数学模型分为动态数学模型和静态 数学模型。 从控制的角度看输入变量是操纵变量和扰动变 量，输出变量是被控变量。 动态数学模型是表示输出变量与输入变量之间 随时间而变化的动态关系的数学描述。 静态数学模型是输入变量和输出变量不随时间 变化情况下的数学关系。 工业过程的数学模型一般不要求非常准确，因 为其控制回路本身具有一定的鲁棒性。
5.3.1 实验测定法
（一）测定动态特性的时域方法 这种方法主要是求取对象的阶跃响应曲线或方 波响应曲线。 优点：无需特殊的信号发生器，在很多情况下可利 用调节系统中原有的仪器设备，方法简单， 测量工作量小。 缺点：测试精度不高，且对生产过程有一定的影响
5.3.1 实验测定法
（二）测定动态特性的频域方法 在对象的输入端加正弦波或近似正弦波信号， 测出其输入量和输出量之间的幅度比和相位差，就 得到了被测对象的频率特性。 优点：原理及数据处理都比较简单，对生产的影响 较小，测试精度也较时域法高。 缺点：需要专门的超低频测量设备，测试工作量较 大。
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。
动态特性
第一章 生产过程动态特性
被调量
控制器 广义被控对象
给定值
过程控制的研究内容：
（1）制定控制系统的控制目标（即设计指标参数）； （2）认识生产过程的动态特性（一般为广义对象的动态性）； （3）设计控制器的控制规律及控制结构，使控制系统达到控制 系统的控制指标要求。
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
衰减比
n
0
0
y1 y3
12º 28¹ 20º 6¹
4 10
90º
∞
1
系统振荡
等幅
衰减
衰减
不振荡
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
控制器
广义被控对象
被调量
给定值
jω ω β -α σ
一般地，通过对控制器调节规律和参数选择，可以使 使得控制系统的闭环极点发生改变。在相同的衰减率下，振 荡频率越高则回复时间越短；而在相同的振荡频率下，衰减 率越大则回复时间越短。因此振荡频率也在一定程度上可作 为衡量控制快速性的一个指标。
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
（4）确定有理分式参数的方法（面积方法）
bm s m + 定义 G(s) n an s + + b1s + b0 -τs e + a1s + a0 (n > m）
根据拉氏变换的终值定理，可知
K0 1 lim h t lim G s = b 0 t s 0 s
1 t + (n - 1)! T
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
*
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：
《过程的动态特性与控制》课程教学大纲
《过程的动态特性与控制》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程目标（一）总体目标：《过程的动态特性与控制》是一门理论与工程实践密切相关，应用性较强的专业课程,是化学工程与工艺专业的一门必修课。
该课程从自动控制系统的基本概念入手，系统地讲述构成自动控制系统的各个基本环节，包括被控对象、测量元件及变送器、显示仪表、自动控制仪表、执行器等；以及简单控制系统、复杂控制系统；最后结合化工生产过程讲述几种典型化工单元操作的控制方案。
通过对本门课程的学习，使学生比较全面地掌握化工过程自动控制系统的组成、功能、分析和设计；重点掌握检测仪表的工作原理和特点；培养学生自动控制系统设计、开发以及现场操作能力。
同时使对化工自动化领域建立较全面的认识，开拓其专业视野，为今后从事化工自动化生产相关行业提供强有力的理论和实践基础。
（二）课程目标：本课程教学内容以化工仪表及自动化的基本知识和基本技能为主，注重学生分析问题、解决实际问题的能力培养。
本课程的学习目标如下：课程目标1：掌握自动控制系统相关知识1.1掌握化工自动控制系统的组成、原理及各环节的作用；掌握简单及更杂控制系统的结构、特点及应用场合。
1.2掌握化工对象的基本特性及其对控制过程的影响。
13了解主要工艺参数的基本测量方法和仪表的工作原理及其特点，能根据工艺实际情况正确地选用和使用常见测量仪表。
1.4掌握基本控制规律的特点和适用范围，能够分析和评价控制器参数对被控过程的控制质量的影响。
课程目标2：分析自动控制系统出现的问题并根据工艺要求，与自控人员共同设计控制方案2.1能综合运用本课程和其它课程知识，根据工艺要求，与自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案；能够分析和处理控制系统运行中出现的一些现象和问题；2.2能在工艺设计和技术改造中，与自控设计人员合作，综合考虑工艺与控制两个方面,为自控设计人员提供正确的工艺条件与数据，选用合适的理论方法课程目标3,培养学生理论联系实际、综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，培养学生严谨的工作作风和实事求是的科学态度，为未来的相关行业科学研究及实际工作打下良好的基础。
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二 过程控制系统的性能指标
1、 过程控制系统的几个概念
稳态：
系统不受外来干扰，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
动态： 系统受外来干扰或设定值改变后，被控量随时间变化，系 统处于未平衡状态。 过度过程：从一个稳态到达另一个稳态的过程。
2、 过渡过程的形式
被控过程的输入量与输出量之间的信号联系 控制通道-----操纵变量至被控变量的信号联系 扰动通道-----扰动变量至被控变量的信号联系
扰动变量（输入量） 被控变量（输出量）
操纵变量（输入量）
2、工业过程动态特性的特点 （1）对象的动态特性是不振荡的 （2）对象动态特性有迟延 迟延包括容积迟延、传输迟延。 （3）被控对象本身是稳定的或中性稳定的 （4）被控对象往往具有非线性特性
IAE e(t ) dt
0
把不同时刻、不同 幅值的偏差等同对待
各方面的性能 比较均衡
平方误差积分 （ISE）
ISE e (t )dt
2 0
对大偏差敏感
最大偏差小但 回复时间长
一般用于评定定 值控制系统的质量 指标
时间与偏差绝 对值乘积的积分 （ITAE）
ITAE t e(t ) dt
本章重点内容
重点：
掌握过程控制系统的组成
结合具体对象，掌握控制系统的方块图 描述法
了解控制系统的性能指标
掌握被控对象的动态特性
了解过程数学模型及其建立方法
一 控制系统的组成
阀门：调节阀、电磁阀、气动蝶阀 四个基本环节：被控对象、检测仪表、控制器、执行器（显 …… 示仪表根据需要可选） 泵：开关泵、变频泵
•等幅振荡：被控量一直处于振荡，且振幅相等。 •衰减振荡：被控量波动的幅度越来越小，最后 趋于稳定
图
过渡过程的几种形式
3、性能指标
评价控制系统的性能指标：稳定性、准确性、快 速性。这三方面在时域上体现为若干性能指标。
•稳定性：稳定性是指系统受到外来作用后，其动态过 程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。如果系统受到 外来作用后，经过一段时间，其被控变量可以达到某 一稳定状态，则称系统是稳定的；否则，则称系统是 不稳定的。 •准确性：理想情况下，当过渡过程结束后，被控变量达 到的稳态值（即平衡状态）应与设定值一致。 •快速性：快速性是通过动态过程持续时间的长短来表 征的。
y(∞)
ts
图 闭环控制系统在设定值扰动下的阶跃响应
单项指标
（1） 衰减比和衰减率
衰减比：衡量一个振荡过程的衰减程度的指标, 它等于两个相临的同向波峰峰值之比.
y1 n y3
n>1 n=1 n<1 衰减振荡，趋于稳定 等幅振荡 发散振荡
衰减率：它是指每经过一个周期后，波动幅 度衰减的百分数，即 衰减率
1、被控对象：即被控制的生产设备或装置，如液 罐、加热器、管路系统等。 被控变量－被控对象需控制的变量，如液位、温 度、流量等。 2、执行器：直接用于控制操纵变量变化。执行器 接收到控制器的输出信号，通过改变执行器节流 件的流通面积来改变操纵变量。常用的是控制阀。 3、控制器（调节器）：按一定控制规律进行运算， 将结果输出至执行器。 4、测量变送器：用于检测被控量，并将检测到的 信号转换为标准信号输出。如压力变送器、液位 变送器。
0
对初期偏差不敏感 而对后期偏差敏感
最大偏差大但 回复时间短
一般用于评定随 动控制系统的质量 指标
三 被控对象的动态特性
1、基本概念 动态特性定义：指被控过程输入量发生变化时，过程输出 量的变化规律。 工业过程中的各种装置和设备，如换热器、 被控对象： 锅炉、精馏塔、化学反应器、贮液槽罐、加 热炉等 通道
通常安装 于控制室 通常安装 于 现场
x
e = x-z z
控制器
p
执行器
q
干扰
被控对象
yLeabharlann 显示 仪表变送器温度（压力、液位、流量）变送器、在线成分分析仪 （通常输出：4~20mA、1～5V 等标准信号）液位开关、料位开关、接近开关 (通常输出on/off信号)传感器（Pt100、 热电偶……）……
控制系统的组成
阶跃输入下，过渡过程的形式分为非周期过程和 振荡过程。
(1)非周期过程：扰动下，被控量的变化单调增大 或减小的过程。
•单调发散：被控量不振荡，偏离给定值越 来越远
•单调衰减：被控量的变化速度越来越慢， 逐步趋于给定值而稳定下来。
(2)振荡过程
扰动后，被控量在其给定值附近上下波动的过程。 •发散振荡：被控量一直处于振荡状态，且振幅 逐渐增加。
3、过程特性的类型 多数工业过程的特性可分为下列四种类型： (1) 自衡的非振荡过程 (2) 无自衡的非振荡过程
(3) 有自衡的振荡过程
(4) 具有反向特性的过程
（过程特性通常在阶跃信号的作用下的表现）
过程特性的类型
(1)自衡的非振荡过程
过程能自发地趋于新稳态值的特性称为自衡性。在阶跃信 号的作用下，被控变量C (t)不经振荡，逐渐向新的稳态值 C(∞)靠拢,这类工业过程称为具有自衡的非振荡过程。
y1 y3 1 1 y1 n
（2）最大动态偏差和超调量 最大动态偏差y1：指设定值阶跃响应中，过度过程开始后第一 个波峰超过其新稳态值的幅度． 超调量：最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分数. σ=y1/y∞ （3） 残余偏差（余差）：
指过渡过程结束后，被调量新的稳态值y∞与新的设定值r之 间的差值，即e(∞)＝ r－y∞，它是衡量控制系统稳态准确度的 指标。
稳定性指标：衰减比（衰减率） 准确性指标：残余偏差，最大动态偏差，超调量
快速性指标：调节时间（振荡频率）
综合指标
综合控制指标又称为偏差的积分性能指标，常用于分析系统的动态响 应性能。常用的综合控制指标见表1.
名 称 公
式
特
点
控制结果
适用范围
一般用于评定定 值控制系统的质量 指标
绝对误差积分 （IAE）
（4） 调节时间和振荡频率 调节时间ts:是从过渡过程开始到结束所需的时间，理论上它 需要无限长的时间，一般认为当被调量已进入其稳态值的 ±5%范围内，就算过渡过程结束． 振荡频率：是振荡周期T的倒数，即β＝2π/T 在相同衰减比n下，振荡频率越高，调节时间越短； 在相同振荡频率下，衰减比越大，调节时间越短。