过程控制第一章动态特性解析
过程控制1实验一对象特性的测定
U1 =50% Q1=4.2~4.3(L/M) U2 =25% Q2=2.1~2.3(L/M) U2 =35% Q2=3.5~3.7(L/M) Kc =1 Ti=60(s) Td=0(s)
8-16
Q2 (L/M)
3.6(35%)
2.1(25%)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.416.819.221.6
h2 (cm)
16.81 9.2
13.
152.
100.
95.0
7.5
6.0
4.5
3.0
1.5
t (分)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.4 16.8 16.8 19.2 t (分)
Q2 (L/M)
3.6(35%)
2.1(25%)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.4 16.8 16.8 19.2
h2 (cm)
13. 152. 100. 95.0 7.5 6.0 4.5 3.0 1.5
t (分)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.4 16.8 16.8 19.2 t (分)
Q2 (L/M)
3.6(35%)
2.1(25%)
2.4 4.8 7.2 9.6 12 14.4 16.8 16.8 19.2
10
8
6
4
2
0
h2(cm) 2.5
5
7.5
10 t (分)
16
12
8
4
0
2.5 5 7.5 10 t (分)
8-10
4、根据实验原理所述方法和实验得到的响应曲线，求出双容水箱 的放大倍数K、时间常数T1 、T2、滞后时间τ、传递函数G(s)。
第1章过程控制系统概述习题与思考题
第1章 过程控制系统概述习题与思考题1.1 什么是过程控制系统，它有那些特点？1.2 过程控制的目的有那些？1.3 过程控制系统由哪些环节组成的，各有什么作用？过程控制系统有那些分类方法？1.4 图1.11是一反应器温度控制系统示意图。
A 、B 两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器的温度保持不变。
试画出该温度控制系统的方框图，并指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数及可能影响被控参数变化的扰动有哪些？1.5 锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。
汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。
水位过高，会使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备；而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。
因此，必须对汽包水位进行严格控制。
图1.12是一类简单锅炉汽包水位控制示意图，要求：1）画出该控制系统方框图。
2）指出该控制系统中的被控过程、被控参数、控制参数和扰动参数各是什么。
3）当蒸汽负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。
V-1图1.12 锅炉汽包水位控制示意图1.6 评价过程控制系统的衰减振荡过渡过程的品质指标有那些？有那些因素影响这些指标？1.7 为什么说研究过程控制系统的动态特性比研究其静态特性更意义？1.8 某反应器工艺规定操作温度为800 10℃。
为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。
现运行的温度控制系统在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如图1.13所示。
1）分别求出稳态误差、衰减比和过渡过程时间。
2）说明此温度控制系统是否已满足工艺要求。
T/℃图1.13 某反应器温度控制系统过渡过程曲线1.9 简述过程控制技术的发展。
1.10 过程控制系统与运动控制系统有何区别？过程控制的任务是什么？设计过程 控制系统时应注意哪些问题？第3章 过程执行器习题与思考题3.1 试简述气动和电动执行机构的特点。
3.2 调节阀的结构形式有哪些？3.3 阀门定位器有何作用？3.4 调节阀的理想流量特性有哪些？实际工作时特性有何变化？3.5 已知阀的最大流量min v q =50m 3，可调范围R=30。
第1章被控对象数学模型分析解析
h KQ1 (1 e
t / T
)
1.3 机理法建立被控对象的数学模型
2．无自平衡单容过程
所谓无自平衡过程是指受扰过程的平衡状态被破坏后， 在没有操作人员或仪表等干预下，依靠被控过程自身能力不 能重新回到平衡状 态。如图所示为无 自平衡单容液位过 程。
1.3 机理法建立被控对象的数学模型
1.3 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。 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。
1.2 被控对象的数学模型 的建立
1.2.2 实验法建模
实验法建模是根据被控对象输入/输出的 实验测试数据通过数学处理后得出数学模 型。此方法又称为系统辨识。 系统辨识是根据测试数据确定模型结构 （包括形式、方程阶次以及时滞情况等）， 在已定模型结构的基础上，再由测试数据 确定模型的参数即为参数估计。
1.2.1 机理法建模
机理法建模就是根据生产过程中实际发生的 变化机理，写出各种相关的平衡方程，如：物质 平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、相平 衡方程以及反映流体流动、传热、化学反应等基 本规律的运动方程、物性参数方程和某些设备的 特性方程，从中获得所需的被控过程的数学模型。
1.2 被控对象的数学模型 的建立
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A；
一是流入量与流出量之差Q1-Q2。
A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。 本例中A是决定液位变化率大小的因素。
过程控制课后习题答案解析
.WORD完美格式.第1章自动控制系统基本概念~~1-3 自动控制系统主要由哪些环节组成？解自动控制系统主要由检测变送器、控制器、执行器和被控对象等四个环节组成。
~~ 1-5 题1-5图为某列管式蒸汽加热器控制流程图。
试分别说明图中PI-307、TRC-303、FRC-305所代表的意义。
题1-5图加热器控制流程图解PI-307表示就地安装的压力指示仪表，工段号为3，仪表序号为07；TRC-303表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的温度控制仪表；工段号为3，仪表序号为03；FRC-305表示集中仪表盘安装的，具有指示记录功能的流量控制仪表；工段号为3，仪表序号为05。
~~~~~ 1-7 在自动控制系统中，测量变送装置、控制器、执行器各起什么作用？解测量变送装置的功能是测量被控变量的大小并转化为一种特定的、统一的输出信号（如气压信号或电压、电流信号等）送往控制器；控制器接受测量变送器送来的信号，与工艺上需要保持的被控变量的设定值相比较得出偏差，并按某种运算规律算出结果，然后将此结果用特定信号（气压或电流）发送出去执行器即控制阀，它能自动地根据控制器送来的信号值来改变阀门的开启度，从而改变操纵变量的大小。
~~~1-8．试分别说明什么是被控对象、被控变量、给定值、操纵变量、操纵介质？解：被控对象（对象）——自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、生产设备或机器。
被控变量——被控对象内要求保持设定值的工艺参数。
控系统通常用该变量的名称来称呼，如温度控制系统，压力制系统等。
给定值（或设定值或期望值）——人们希望控制系统实现的目标，即被控变量的期望值。
它可以是恒定的，也可以是能按程序变化的。
操纵变量（调节变量）——对被控变量具有较强的直接影响且便于调节（操纵）的变量。
或实现控制作用的变量。
操纵介质(操纵剂)——用来实现控制作用的物料。
~~~1-11 题l-11图所示为一反应器温度控制系统示意图。
A、B两种物料进入反应器进行反应，通过改变进入夹套的冷却水流量来控制反应器内的温度不变。
过程控制第一章
1.4 过程控制的特点 (1)被控过程形形色色 (1)被控过程形形色色 由于生产规模大小不同，工艺要求各异， 由于生产规模大小不同，工艺要求各异，产品 多种多样，过程控制中被控过程的形式很多， 多种多样，过程控制中被控过程的形式很多，比如 化学反应器、精馏塔、锅炉、 化学反应器、精馏塔、锅炉、压力容器以及给矿设 备和丙烯冷却器等。 备和丙烯冷却器等。 (2)控制过程多属缓慢过程和参量控制形式 (2)控制过程多属缓慢过程和参量控制形式 许多工业生产过程设备体积大， 许多工业生产过程设备体积大，工艺反应过程 缓慢，具有大惯性大滞后等特点。 缓慢，具有大惯性大滞后等特点。
矿量给定
矿量 控制器 电子 皮带秤
例：冶金行业选矿过程矿石流量控制系统
名词术语： 名词术语： 被控变量y(t) 被控过程内要求保持设定数值的工艺参数。 y(t)： 1) 被控变量y(t)：被控过程内要求保持设定数值的工艺参数。 操纵变量q(t) 受控制器操纵，用以克服扰动量的影响， q(t)： 2) 操纵变量q(t)：受控制器操纵，用以克服扰动量的影响，使 被控变量保持设定值的物料量或能量。 被控变量保持设定值的物料量或能量。 扰动量f(t) :除控制参数外 除控制参数外， 3) 扰动量f(t) :除控制参数外，作用于被控过程并引起被控变 量变化的各种因素。 量变化的各种因素。 给定值r(t) 被控变量的设定值。 r(t)： 4) 给定值r(t)：被控变量的设定值。 测量值z(t) 被控变量经测量变送环节实际测量的值。 z(t)： 5) 测量值z(t)：被控变量经测量变送环节实际测量的值。 偏差e(f) 被控变量的设定值与当前实际值之差。 e(f)： 6) 偏差e(f)：被控变量的设定值与当前实际值之差。 控制信号u(t) 控制器的输出量。 u(t)： 7) 控制信号u(t)：控制器的输出量。
过程控制系统及仪表课后习题答案解析[完整版]
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WORD文档可编辑第1章思考题与习题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：参照图1—1。
1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类？解答：分类方法说明：按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等;按其动作规律来分，有比例(P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分(PID)控制系统等;按控制系统组成回路的情况来分,有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。
通常分类:1．按设定值的形式不同划分:（1）定值控制系统（2）随动控制系统(3）程序控制系统2．按系统的结构特点分类:（1）反馈控制系统（2）前馈控制系统（3）前馈—反馈复合控制系统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？二者之间有什么关系？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。
被控对象的动态特性：。
系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。
二者之间的关系：1-7 试说明定值控制系统稳态与动态的含义。
过程控制知识点
第一章过程控制定义：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称为过程控制。
过程控制特点：连续生产自动控制过程控制系统由过程检测控制仪表组成被近期过程是多种多样的、非电量的过程控制的控制过程多属慢过程而且多半参量控制定值控制是过程控制的一种常用形式。
过程控制组成：由测量元件、变送器、调节器、调节阀和被控过程等环节。
分类：结构特点：反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈控制系统。
定值信号特点：定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统。
第二章2-22利用热电偶温度计测温时为什么要使用补偿导线及其对冷端温度进行补偿？利用热电阻温度计测温时，为什么要采用三线制接法？测量低温时通常为什么采用热电阻温度计，而不采用热电偶温度计？答：（1）由热电偶测温原理可知，只有当它的冷端温度不变时，热电动势是被测温度的单值函数，所以在测温过程中必须保持冷端温度恒定，为了使它的冷端温度恒定，采取补偿导线法为了消除冷端温度变化对测温精度的影响，采用冷端温度补偿（2）在使用热电阻测温时，为了提高精度，采用三线制接法（3）原因有两点：在中低温区热电偶输出的热电势很小对测量仪表放大器和抗干扰要求很高由于冷端温度化不易得到完全补偿在较低温度区内引起的相对误差就很突出2-27 DDF-3型温度变送器具有哪些主要功能？什么是变送器的零点、零点迁移和量程调节?为什么要进行零点迁移和量程调节？3型温度变送器是怎样进行零点迁移和量程调节的？答：1.DDz-3具有热电偶冷端温度补偿，零点调整、零点迁移。
量程调节以及线性化等重要功能。
2零点：输入为零点时输出为4mm的点，零点迁移：即把测量起始点由零迁移到某一正值或负值。
量程调节：相当于改变变送器的输入输出特性的斜率3零点迁移的目的是使其输出信号的下限Ymin与测量范围的下限值Xmin相对应。
零点迁移之后，其量程不变，即斜率不变，却可提高灵敏度。
量程调节的目的是变送器的输出信号的上限值Ymax与测量范围的上限值相对应4调零点调量程方法：RP1为调零电位器。
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：
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§1-1 过程控制系统的性能指标
一、单项性能指标 衰减率、超调量、稳态误差、调节时间 二、综合指标——误差积分指标 IE、IAE、ISE、ITAE 小结： 1 单项指标用若干特征参数评价系统优劣； 2 积分指标用误差积分综合评价系统优劣； 3 根据具体生产过程的实际选用不同的指标； 4 通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率。
简单控制系统
占工业控制系统的80％； 复杂过程控制系统的基础。
重要性
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
目录
第一章 生产过程的动态特性 第二章 比例积分微分控制及其调节过程 第三章 简单控制系统的整定
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
第一章 生产过程动态特性
§1-1 过程控制系统的性能指标 §1-2 被控对象的动态特性 §1-3 过程数学模型及其建立方法
2.ζ=1（临界阻尼） 慢爬行过程； 响应速度比过阻尼快，无超调；
3. 0<ζ<1(欠阻尼） 振荡衰减过程； 选合理的ζ值，可兼顾快速性和 平稳性；
4. ζ=0（无阻尼） 等幅振荡过程，无稳态；
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
给定值
控制器
-
广义被控对象
被调量
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 荡频率越高则恢复时间越短；而在相同的振荡频率下，衰减 率越大则恢复时间越短。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。
一般 对定值系统衰减率要求为0.75 对随动系统衰减率要求为0.90
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
讨论： （对二阶系统）
r(t)
G0 (s)
s(s
2 n
2 n )
y(t)
jω ω
β
-α
σ
衰减率 阻尼系数
1 y3
y1
衰减指数
衰减比 系统振荡
m tg
水容
CF
水阻
T CR K k R
2 R
H0
k
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
（2）双容水箱
Qi
H1 F1
R1 Q1
H2
F2
对物质平衡方程在工作点处进行 线性化处理后达到传递函数为：
G(s)
=
H2 (s) μ(s)
=
T1T2 s 2
k R2 (T1 T2 )s
1
其中：T1 F1R1 ,T2 F2R2 ,
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
给定值
控制器
-
广义被控对象
被调量
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
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
μ
k
Qi
h
F
Q2
无自平衡单容对象
G(s) = H(s) = kμ = 1 μ(s) Fs Ts
F T=
kμ
第一篇 简单控制
2. 归纳：
第一章 生产过程动态特性
K
（1）典型自衡对象传递函数表达式
G(s) = K e-τs Ts + 1
τ
T
自衡率ρ = 1 K
响应速度ε = Κ Τ
（2）典型非自衡对象传递函数表达式
G(s) = 1 e-τs Ts
响应速度ε = 1 T
T τ
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
三、工业过程动态特性的特点 无振荡 稳定或中性稳定 有惯性或迟延 非线性，但在工作点附近可线性化
第一篇 简单控制
R2
Q2
阶跃响应：
有自平衡双容对象
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
（3）带延长管的单容水箱
阶跃响应：
Q0 e-τs Q1
Q0
μ Kμ Q0
纯迟延
H
Q1 _
1 FS
H
Q2
1
Rs
Q1 有迟延自衡单容对象
Q2
传递函数为：
G(s) = H(s) = K e s μ(s) Ts 1
, 其中 为迟延时间
y1 y1 100%
稳态误差:
y
ess=y∞-r
广义对象
调节时间: ts(进入稳态值5%范围内）
振荡频率：ω被调量Βιβλιοθήκη ry1y3
ts
ess y∞
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
单项性能指标
衰减率ψ : 反映了系统稳定性
超调量σ : 反映了动态准确性
稳态误差ess: 反映了静态准确性 调节时间ts : 反映了快速性 振荡频率ω：反映了快速性
n y1 y3
0 0 0
0 1 等幅
0.75 0.9
0.216 0.344
0.221 0.366
12º28¹ 20º6¹
4 衰减
10 衰减
1 ≥1 ∞ 90º ∞ 不振荡
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
不同阻尼比时二阶系统的阶跃响应曲线
1.ζ>1（过阻尼） 慢爬行过程； 调节时间最长，无超调；
回顾
过程控制:是指以温度、压力、流量、液位、成分和物
性等工艺参数作为被控变量的自广动义控被制控。对象
控制系统
（广义过程）
被 调
定值+
控制器
执行器
调节阀
量 对象
-
测量变送器
给定值
控制器
被调量
广义被控对象
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
第一篇 简单控制系统
一个被调量、一个调节量； 一个调节器、一个调节阀。
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
§1-2 被控对象的动态特性
一、基本概念 被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时，
其输出（被调量）随时间变化的规律 。 对于线性系统，其动态特性可用传递函数来描述。
二、典型对象动态特性 1. 典型实例分析
第一篇 简单控制
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
给定值
控制器
-
广义被控对象
被调量
稳态
稳态
动态
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
控制要求 安全性 经济性 稳定性
评价指标 稳定性 准确性 快速性
第一篇 简单控制
第一章 生产过程动态特性
单项性能指标
衰给减定率+: ψ= y1控- y制3 器
超调量: σ-=
第一章 生产过程动态特性
（1）单容水箱
k
Qi
物质平衡方程：
dH 1 dt F (Qi Q o )
其中Qi k ， Q o k H
H
在工作点线性化处理：
F
阶跃响应：
R
Q0
有自平衡单容对象
d H dt
1 F
(k
2
k H0
H )
传递函数：
G(s) = H(s) = K μ(s) Ts 1