《自动化仪表与过程控制》课程学习资料（工业控制系统设计标准）注册石油天然气工程师执业资格考试基础考试自动化仪表过程控制参考资料.doc_大学文库

14过程控制系统 14.1过程控制基础自动控制系统基本概念自动控制系统的组成流程图与方块图过渡过程与品质指标 14.2被控对象特性工业常用对象的特点及描述方法对象特性参数 14.3常用检测仪表常用压力仪表的工作原理、特点、应用及选型常用温度仪表及显示仪表的工作原理、特点应用及选型常用流量仪表的工作原理、特点、应用及选型常用物位仪表的工作原理、特点、应用及选型 14.4控制仪表及及控制规律基本控制规律及其对系统过渡过程的影响模拟式控制器基本原理数字式控制器基本原理简单控制系统的结构与组成 14.5执行器执行器的基本组成气动薄膜阀的结构、特点及应用电动控制阀的结构、特点及应用执行器气开气关形式及控制器正反作用的选择控制阀口径的选择 14.6计算机控制系统计算机控制系统的组成与特点DC系统的基本原理DCS系统和 SCADA系统的基本概念PCS的基本概念【复习点拨】过程控制是一门密切结合生产实际的综合性技术学科。它着重叙述工业自动控制系统的组成、被控对象的特性、检测仪表的工作原理及应用、控制仪表的工作原理及控制规律、执行器的基本组成及应用、讨论单回路控制系统的结构与组成,并介绍计算机控制系统的组成与特点【复习内容】 14.1过程控制基础要求:重点掌握自动控制系统的组成;掌握控制系统的流程图和方块图的意义及画法; 掌握闭环控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程的基本形式及过渡过程品质指标的含义。 14.1.1自动控制系统基本概念生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的,特别是化工生产,大多数是连续生产, 各设备相互关连,当其中某一工艺设备的工艺条件发生变化时,都可能引起其它设备中某些参数或多或少的波动,偏离了正常的工艺条件。为此,就需要用一些自动控制装置,对生产中某些关键性参数(被控变量)进行自动控制,使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时,能自动回到规定的数值范围内,为此目的而设置的系统就是自动控制系统

1 14 过程控制系统 14.1 过程控制基础自动控制系统基本概念自动控制系统的组成流程图与方块图过渡过程与品质指标 14.2 被控对象特性工业常用对象的特点及描述方法对象特性参数 14.3 常用检测仪表常用压力仪表的工作原理、特点、应用及选型常用温度仪表及显示仪表的工作原理、特点、应用及选型常用流量仪表的工作原理、特点、应用及选型常用物位仪表的工作原理、特点、应用及选型 14.4 控制仪表及及控制规律基本控制规律及其对系统过渡过程的影响模拟式控制器基本原理数字式控制器基本原理简单控制系统的结构与组成 14.5 执行器执行器的基本组成气动薄膜阀的结构、特点及应用电动控制阀的结构、特点及应用执行器气开气关形式及控制器正反作用的选择控制阀口径的选择 14.6 计算机控制系统计算机控制系统的组成与特点 DDC 系统的基本原理 DCS 系统和 SCADA 系统的基本概念 PCS 的基本概念【复习点拨】过程控制是一门密切结合生产实际的综合性技术学科。它着重叙述工业自动控制系统的组成、被控对象的特性、检测仪表的工作原理及应用、控制仪表的工作原理及控制规律、执行器的基本组成及应用、讨论单回路控制系统的结构与组成，并介绍计算机控制系统的组成与特点。【复习内容】 14.1 过程控制基础要求：重点掌握自动控制系统的组成；掌握控制系统的流程图和方块图的意义及画法；掌握闭环控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程的基本形式及过渡过程品质指标的含义。 14.1.1 自动控制系统基本概念生产过程中各种工艺条件不可能是一成不变的，特别是化工生产，大多数是连续生产，各设备相互关连，当其中某一工艺设备的工艺条件发生变化时，都可能引起其它设备中某些参数或多或少的波动，偏离了正常的工艺条件。为此，就需要用一些自动控制装置，对生产中某些关键性参数（被控变量）进行自动控制，使它们在受到外界干扰的影响而偏离正常状态时，能自动回到规定的数值范围内，为此目的而设置的系统就是自动控制系统

在工艺流程与控制方案确定以后,按有关技术规定的图例符号,可以绘制出自动控制系统的控制流程图。图14.1-1中的液位控制系统的流程图可表示成图14.1-2的形式。 + 闵图14.1-2液位控制系统流程图二、自动控制系统的方块图在研究自动控制系统时,为了更清楚地表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系,一般都采用方块图。自动控制系统的方块图是由传递方块、信号线(带有箭头的线段)、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。例如图14.1-1中的液位控制系统可以用图141-3的方块图形式来表示。图中: (1)方框:表示系统中的一个组成部分,称为“环节 (2)带箭头的线段:表示两个环节间的相互信号关系及作用方向。 (3)字母:表示环节间相互作用的信号参数设定值控制器」p执行器测量值测变送器图14.1-3自动控制系统方块图三、自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统对于一个自动控制系统,设定值是系统的输入变量,被控变量是系统的输出变量。输出变量通过测量变送环节又送回输入端,并与输入量进行比较(偏差=设定值一测量值),因此称为负反馈。在自动控制系统中都采用负反馈控制,因为当被控变量受到扰动作用后,若被控变量增大,则反馈信号也增大,经过比较,偏差信号将减小,此时控制器输出的控制作用将通过执行器动作来改变操纵变量,其作用方向与扰动作用方向相反,致使被控变量下降,达到控制的目的在反馈控制系统中,被控变量被返回输λ端,与设定值进行比较,根据偏差控制被控变量,整个系统形成一个闭环,因此称为闭环控制。【例14.1-1】图14.1-1所示为一储槽液位控制系统。试画出该液位控制系统的方块图并指岀该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的扰动各是什么? 解:该液位控制系统的方块图如图14.1-4

3 在工艺流程与控制方案确定以后，按有关技术规定的图例符号，可以绘制出自动控制系统的控制流程图。图 14.1-1 中的液位控制系统的流程图可表示成图 14.1-2 的形式。二、自动控制系统的方块图在研究自动控制系统时，为了更清楚地表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方块图。自动控制系统的方块图是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。例如图 14.1-1 中的液位控制系统可以用图 14.1-3 的方块图形式来表示。图中： ⑴ 方框：表示系统中的一个组成部分，称为“环节”。 ⑵ 带箭头的线段：表示两个环节间的相互信号关系及作用方向。 ⑶ 字母：表示环节间相互作用的信号参数。三、自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统对于一个自动控制系统，设定值是系统的输入变量，被控变量是系统的输出变量。输出变量通过测量变送环节又送回输入端，并与输入量进行比较（偏差=设定值—测量值），因此称为负反馈。在自动控制系统中都采用负反馈控制，因为当被控变量受到扰动作用后，若被控变量增大，则反馈信号也增大，经过比较，偏差信号将减小，此时控制器输出的控制作用将通过执行器动作来改变操纵变量，其作用方向与扰动作用方向相反，致使被控变量下降，达到控制的目的。在反馈控制系统中，被控变量被返回输入端，与设定值进行比较，根据偏差控制被控变量，整个系统形成一个闭环，因此称为闭环控制。【例 14.1-1】图 14.1-1 所示为一储槽液位控制系统。试画出该液位控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的扰动各是什么？解：该液位控制系统的方块图如图 14.1-4

扰动控制器执行器检测变送器图14.1-4储槽液位控制系统方块图该系统中,被控对象为储槽:被控变量为储槽的液位高度压:操纵变量为储槽流出量码扰动为储槽的流入量4。【例14.1-2】图14.1-5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。试画出该温度控制系统的方块图,并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的扰动各是什么? 动反应温度的设定值制器执行]反图14.1-5反应器温度控制系统图14.1-6反应器温度控制系统方块图解: 该温度控制系统的方块图如图14.1-6。该系统中,被控对象为反应器:被控变量为反应器内温度:操纵变量为冷却水流量:扰动量为A、B两种物料的流量、温度、浓度和冷却水的温度、压力及搅拌器的转速等。通过以上两个例题,应该深入理解以下问题: ①自动控制系统中常用的一些基本概念,如被控对象、被控变量、操纵变量、扰动等: ②自动控制系统的组成 ③自动控制系统的方块图的画法 ④自动控制系统的方块图与工艺流程图的区别 1413自动控制系统的过渡过程与品质指标、自动控制系统的过渡过程对于任何一个控制系统,扰动作用是不可避免的的客观存在。系统受到扰动作用后,其平衡状态受到破坏,被控变量就要发生波动。在自动控制作用下,经过一段时间,使被控变量回复到一个新的稳定状态。在自动控制系统中,把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态,而把被控变量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。当系统处于动态过程时,被控变量是不断变化的,它随时间而变化的过程称为自动控制系统的过渡过程,也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。过渡过程中被控变量的变化情况与扰动的形式有关。一般来说,自动控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程有以下几种基本形式,即

4 该系统中，被控对象为储槽；被控变量为储槽的液位高度 H；操纵变量为储槽流出量 Q2；扰动为储槽的流入量 Q1。【例 14.1-2】图 14.1-5 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。试画出该温度控制系统的方块图，并指出该系统中的被控对象、被控变量、操纵变量及可能影响被控变量的扰动各是什么？解：该温度控制系统的方块图如图 14.1-6。该系统中，被控对象为反应器；被控变量为反应器内温度；操纵变量为冷却水流量；扰动量为 A、B 两种物料的流量、温度、浓度和冷却水的温度、压力及搅拌器的转速等。通过以上两个例题，应该深入理解以下问题： ① 自动控制系统中常用的一些基本概念，如被控对象、被控变量、操纵变量、扰动等； ② 自动控制系统的组成； ③ 自动控制系统的方块图的画法； ④ 自动控制系统的方块图与工艺流程图的区别。 14.1.3 自动控制系统的过渡过程与品质指标一、自动控制系统的过渡过程对于任何一个控制系统，扰动作用是不可避免的的客观存在。系统受到扰动作用后，其平衡状态受到破坏，被控变量就要发生波动。在自动控制作用下，经过一段时间，使被控变量回复到一个新的稳定状态。在自动控制系统中，把被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，而把被控变量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。当系统处于动态过程时，被控变量是不断变化的，它随时间而变化的过程称为自动控制系统的过渡过程，也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。过渡过程中被控变量的变化情况与扰动的形式有关。一般来说，自动控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程有以下几种基本形式，即

①非周期衰减过程(见图141-7(a)) ①衰减振荡过程(见图14.1-7(b) ③等幅振荡过程(见图14.1-7(c)) ④发散振荡过程(见图14.1-7(d) 前两种过程是稳定过程,能基本满足控制要求。但由于非振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢, 致使被控变量长时间偏离设定值,且其变化过程不易被观察者辨识而可能造成误判断,因此一般不采用。只有当生产工艺不允许被控变量有波动时才考虑采用这种形式的过渡过程。对于衰减振荡过程,由于能够较快地使系统达到稳定状态,所以在大多数情况下,都希望自动控制系统在阶跃输入作用下,能够得到如图141-7(b)所示的过渡过程图141-7(c所示为临界稳定过程,图141-7(d)所示为不稳定过程,这两种过程都是生产中不允许出现的、自动控制系统的品质指标控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质的依据。在多数情况下,希望得到衰减振荡过程,所以一般取衰减振荡的过渡过程形式来讨论控制系统的品质指标。目前,对一般的自动控图141-7过渡过程的几种基本形式制系统,从稳定性理论出发,常采用五个指标,即衰减比、最大偏差(或超调量)、余差、过渡时间(亦称回复时间或控制时间)及振荡周期(或频率)。这些指标一般是通过系统的参数整定来实现的 4=5%C 图14 过渡过程品质指标示意图图14.1-8是一个典型的定值控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程,从中可以得到该控制系统的品质指标。 (1)衰减比表示衰减程度的指标,它等于曲线前后两个相邻峰值之比,即 n=Bi: B2 般都希望自动控制系统的衰减比为4:1,在41振荡过程中,大约振荡两个波以后就可以认为被控变量是稳定下来了 (2)最大偏差(或超调量) 最大偏差就是被控变量偏离设定值的最大偏差值,对于一个稳定的定值控制系统来说, 就是指被控变量第一个波峰值与设定值的差,如图中的A。在随动系统中通常采用超调量这个指标。超调量B是第一个峰值A与新稳态值C之差。即

5 ① 非周期衰减过程（见图 14.1-7（a））； ① 衰减振荡过程（见图 14.1-7（b））； ③ 等幅振荡过程（见图 14.1-7（c））； ④ 发散振荡过程（见图 14.1-7（d））。前两种过程是稳定过程，能基本满足控制要求。但由于非振荡衰减过程中被控变量达到新的稳态值的进程过于缓慢，致使被控变量长时间偏离设定值，且其变化过程不易被观察者辨识而可能造成误判断，因此一般不采用。只有当生产工艺不允许被控变量有波动时才考虑采用这种形式的过渡过程。对于衰减振荡过程，由于能够较快地使系统达到稳定状态，所以在大多数情况下，都希望自动控制系统在阶跃输入作用下，能够得到如图 14.1-7 (b)所示的过渡过程. 图 14.1-7(c)所示为临界稳定过程，图 14.1-7(d)所示为不稳定过程，这两种过程都是生产中不允许出现的。二、自动控制系统的品质指标控制系统的过渡过程是衡量控制系统品质的依据。在多数情况下，希望得到衰减振荡过程，所以一般取衰减振荡的过渡过程形式来讨论控制系统的品质指标。目前，对一般的自动控制系统，从稳定性理论出发，常采用五个指标，即衰减比、最大偏差（或超调量）、余差、过渡时间（亦称回复时间或控制时间）及振荡周期（或频率）。这些指标一般是通过系统的参数整定来实现的。图 14.1-8 是一个典型的定值控制系统在阶跃扰动作用下的过渡过程，从中可以得到该控制系统的品质指标。 ⑴ 衰减比表示衰减程度的指标，它等于曲线前后两个相邻峰值之比，即 n = B1：B2 一般都希望自动控制系统的衰减比为 4:1，在 4:1 振荡过程中，大约振荡两个波以后就可以认为被控变量是稳定下来了。 ⑵ 最大偏差（或超调量）最大偏差就是被控变量偏离设定值的最大偏差值，对于一个稳定的定值控制系统来说，就是指被控变量第一个波峰值与设定值的差，如图中的 A。在随动系统中通常采用超调量这个指标。超调量 B 是第一个峰值 A 与新稳态值 C 之差。即

B=A-C (3)余差(亦称静态偏差或残余偏差) 它是过渡过程终了时被控变量的新稳态值与设定值之差。如图中的C。 (4)过渡时间它是系统受到扰动作用时刻起,直到系统恢复到新的平衡状态所需时间,如图中的t 理论上讲,被控变量达到新的平衡状态需要无限长的时间,但通常在被控变量进入新稳态值的±5%(也有的规定为±2%)的范围内不再越出时,就认为被控变量已达到新的稳态值,所以过渡时间就是从扰动开始作用起,直到被控变量进入新稳态值的±5%(或±2%)的范围内所经历的时间 (5)振荡周期(或频率) 它是指过渡过程同向的两波峰(或波谷)之间的间隔时间,其倒数为振荡频率。在衰减比相同的条件下,振荡周期与过渡时间成正比。一般希望振荡周期短一些为好。【例14.1-3】某化学反应器工艺规定操作温度为(900±10)℃。考虑安全因素,控制过程中温度偏离设定值最大不得超过80℃。现设计的温度控制系统在最大阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图14.1-9所示。则该系统的过渡过程的最大偏差、衰减比、余差和过渡时间各为多少?并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求? (A)42℃、3:1、18℃、36min、不能 (B)50℃、4.2:1、8℃、47min、能 (C)42℃、4:1、8℃、36min、能 (D)50℃、4.2:1、18℃、47min、不能正确答案:(B) 题解该系统的过渡过程品质指标是最大偏差A=950-900=50℃ 衰减比n=(950-908):(918-908)=4.2:1部余差C=908-900=8℃ 过渡时间t=47m 由于题中要求该系统控制过程中温度偏离设定值最大不得超过80℃,而实际该系统过渡时间/min 图14.1-9化学反应器温度控制渡过程曲线过程中偏离设定值的最大幅值仅为50℃,因此能够满足题中所给的工艺要求答案(A)最大偏差A=42℃不对,衰减比3:1不对、余差18℃不对、过渡时间t=45-9 36min不对、不能满足工艺要求要求错误; 答案(C)最大偏差A=42℃不对、衰减比4:1不对、过渡时间t=45-9=36min不答案(D)余差18℃不对、不能满足工艺工艺要求错误以上均属于概念不清,为错误答案。【例14.1-4】加热炉温度控制系统中,被控温度T的设定值为175℃。设原已经稳定的系统在ω时刻受到一单位阶跃扰动,致使T偏离设定值,经过一定的控制过程,到h时刻重新稳定在1741℃。从记录数据及曲线上看控制过程中被控温度的两个最大峰值分别为 55℃和19℃。则根据控制系统品质指标的定义,可以确定该系统过渡过程的超调量为多少? (A)6.5℃ (B)185.5℃ (C)11.4℃ (D)10.5℃

6 B  A  C ⑶ 余差（亦称静态偏差或残余偏差）它是过渡过程终了时被控变量的新稳态值与设定值之差。如图中的 C。 ⑷ 过渡时间它是系统受到扰动作用时刻起，直到系统恢复到新的平衡状态所需时间，如图中的 tp。理论上讲，被控变量达到新的平衡状态需要无限长的时间，但通常在被控变量进入新稳态值的5%（也有的规定为±2%）的范围内不再越出时，就认为被控变量已达到新的稳态值，所以过渡时间就是从扰动开始作用起，直到被控变量进入新稳态值的5%（或±2%）的范围内所经历的时间。 ⑸ 振荡周期(或频率) 它是指过渡过程同向的两波峰(或波谷)之间的间隔时间，其倒数为振荡频率。在衰减比相同的条件下，振荡周期与过渡时间成正比。一般希望振荡周期短一些为好。【例 14.1-3】某化学反应器工艺规定操作温度为(900±10)℃。考虑安全因素，控制过程中温度偏离设定值最大不得超过 80℃。现设计的温度控制系统在最大阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图 14.1-9 所示。则该系统的过渡过程的最大偏差、衰减比、余差和过渡时间各为多少？并回答该控制系统能否满足题中所给的工艺要求？（A）42℃、3:1、18℃、36min、不能（B）50℃、4.2:1、8℃、47min、能（C）42℃、4:1、8℃、36min、能（D）50℃、4.2:1、18℃、47min、不能正确答案：（B）题解：该系统的过渡过程品质指标是: 最大偏差 A = 950-900 = 50℃ 衰减比 n = (950-908)：(918-908) = 4.2：1 余差 C = 908-900 =8℃ 过渡时间 t = 47min 由于题中要求该系统控制过程中温度偏离设定值最大不得超过 80℃，而实际该系统过渡过程中偏离设定值的最大幅值仅为 50℃，因此能够满足题中所给的工艺要求。答案（A）最大偏差 A=42℃不对，衰减比 3:1 不对、余差 18℃不对、过渡时间 t = 45-9 =36min 不对、不能满足工艺要求要求错误；答案（C）最大偏差 A = 42℃不对、衰减比 4:1 不对、过渡时间 t = 45-9 =36min 不对；答案（D）余差 18℃不对、不能满足工艺工艺要求错误；以上均属于概念不清，为错误答案。【例 14.1-4】加热炉温度控制系统中，被控温度 T 的设定值为 175℃。设原已经稳定的系统在 t0时刻受到一单位阶跃扰动，致使 T 偏离设定值，经过一定的控制过程，到 t1时刻重新稳定在 174.1℃。从记录数据及曲线上看控制过程中被控温度的两个最大峰值分别为 185 .5℃和 179℃。则根据控制系统品质指标的定义，可以确定该系统过渡过程的超调量为多少？（A）6.5℃；（B）185.5℃；（C）11.4℃；（D）10.5℃

正确答案:(C) 题解: 根据控制系统品质指标的定义,超调量为系统过渡过程的第一个峰值和新稳态值之差。所以答案(C)185.5-1741=114℃为正确答案答案(A)两暂态峰值之差;(B)为最高温度值;(D)为最大偏差:均属概念不清为错误答案。 14.2被控对象特性要求:了解被控对象数学模型的意义及数学模型的建立方法;掌握一阶对象的数学模型掌握表征被控对象特性的三个参数一一放大系数K、时间常数T和滞后时间r的物理意义及其对控制质量的影响。 14.21工业常用对象的特点及描述方法工业常用对象的特点在工业过程控制中,被控对象是指很多具体的热工、化工等设备,例如换热器、加热炉锅炉、液箱、压力容器、精馏塔、流体输送设备和反应器等。此外,在一些辅助系统中,气源、热源及动力设备(如空压机、辅助锅炉、电动机等)也可能是最需要控制的对象。各种对象千差万别,有的操作很稳定,操作很容易:有的对象则不然,只要稍不小心就回超越正常工艺条件,甚至造成事故。在自动控制系统中,当采用一些自动化装置来模拟人工操作时,首先必须深入了解对象的特性,了解它的内在规律,才能根据工艺对控制质量的要求,选择合适的被控变量和操纵变量,选用合适的测量元件及控制器,设计出合理的控制系统。在控制系统投运时,也要根据对象特性选择合适的控制器参数,使系统正常地运行。了解被控对象的动态特性对于实现生产过程的自动化具有很重要的意义,一个控制系统构成的好坏在很大程度上决定于对被控对象动态特性了解的程度。所谓被控对象的动态特性是指对象的某一输入量发生扰动时,其被控变量随时间变化的特性。被控对象的输入变量至输出变量的信号联系称之为通道。控制作用至被控变量的信号联系称为控制通道:扰动至被控变量的信号联系称为扰动通道所谓研究对象的特性,就是用数学的方法来描述对象的输出量与输入量之间的关系。这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。被控对象特性的描述方法描述对象特性的方法很多,主要有两大类 1.用描述对象输入与输出关系的微分方程、偏微分方程、状态方程等来表示对于线性的集中参数对象,通常可用常系数线性微分方程来描述,以x(t)表示输入量,y(t)表示输出量,则对象特性可用下列微分方程来描述: "()+…+ay()+any =bnx()+bn-xm-()+…+bx()+b2x() 式中y()、y-)(0)、…y()分别表示y()的n阶、(n-1阶……一阶导数

7 正确答案：（C）题解：根据控制系统品质指标的定义，超调量为系统过渡过程的第一个峰值和新稳态值之差。所以答案（C）185.5-174.1=11.4℃为正确答案。答案（A）两暂态峰值之差；（B）为最高温度值；（D）为最大偏差；均属概念不清为错误答案。 14.2 被控对象特性要求：了解被控对象数学模型的意义及数学模型的建立方法；掌握一阶对象的数学模型；掌握表征被控对象特性的三个参数——放大系数 K、时间常数 T 和滞后时间τ的物理意义及其对控制质量的影响。 14.2.1 工业常用对象的特点及描述方法一、工业常用对象的特点在工业过程控制中，被控对象是指很多具体的热工、化工等设备，例如换热器、加热炉、锅炉、液箱、压力容器、精馏塔、流体输送设备和反应器等。此外，在一些辅助系统中，气源、热源及动力设备（如空压机、辅助锅炉、电动机等）也可能是最需要控制的对象。各种对象千差万别，有的操作很稳定，操作很容易；有的对象则不然，只要稍不小心就回超越正常工艺条件，甚至造成事故。在自动控制系统中，当采用一些自动化装置来模拟人工操作时，首先必须深入了解对象的特性，了解它的内在规律，才能根据工艺对控制质量的要求，选择合适的被控变量和操纵变量，选用合适的测量元件及控制器，设计出合理的控制系统。在控制系统投运时，也要根据对象特性选择合适的控制器参数，使系统正常地运行。了解被控对象的动态特性对于实现生产过程的自动化具有很重要的意义，一个控制系统构成的好坏在很大程度上决定于对被控对象动态特性了解的程度。所谓被控对象的动态特性是指对象的某一输入量发生扰动时，其被控变量随时间变化的特性。被控对象的输入变量至输出变量的信号联系称之为通道。控制作用至被控变量的信号联系称为控制通道；扰动至被控变量的信号联系称为扰动通道。所谓研究对象的特性，就是用数学的方法来描述对象的输出量与输入量之间的关系。这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。二、被控对象特性的描述方法描述对象特性的方法很多，主要有两大类： ⒈ 用描述对象输入与输出关系的微分方程、偏微分方程、状态方程等来表示。对于线性的集中参数对象，通常可用常系数线性微分方程来描述，以ｘ(t)表示输入量，y(t)表示输出量，则对象特性可用下列微分方程来描述：                   b x t b x t b x t b xt a y t a y t a y t a y t m m m m n n n n 1 0 1 1 1 0 1 1                  式中   y t n 、   y t n1 、…… yt 分别表示 yt 的 n 阶、(n-1)阶……一阶导数；

x{()、xm()…x()分别表示x()的m阶·(m-1阶…一阶导数: an、an1…a1、ao及bn、bn1…b、b分别表示方程中的各项系数。在允许的范围内,多数化工对象可以忽略输入量的导数项,因此可表示为: any()+any()+…+a1y()=x() 因此一阶对象的特性可以表示为 + a 阶对象的特性可以表示为 a2y2)()a,y(+aoy(=x() 2.用描述对象在一定形式输入作用下的输出函数或曲线来表示所谓对象的动态特性,就是指对象在受到扰动作用或控制作用后,被控变量是如何变化的。因此可以用对象在一定形式输入作用下的输出函数或曲线来表示对象的特性。根据输入形式的不同,主要有阶跃反应曲线(或函数)、脉冲反应曲线(或函数)、矩形脉冲反应曲线等,一般都可以通过实验得到。其中最常用的是阶跃反应曲线。阶跃形式的扰动比较突然比较危险,对于被控变量的影响最大。如果控制系统能够有效地克服这种扰动,则对于其它比较缓和的扰动也一定能够很好地加以克服。另外,阶跃扰动形式简单,易于实现,便于分析,实验和计算。 14.2.2描述被控对象的特性参数对象特性可用放大系数K、时间常数T和滞后时间r等参数来表 (1)放大系数K 放大系数K是对象的静态特性参数。它表示对象受到输入作用后重新达到平衡状态时的性能是不随时间而变的。以一阶水槽对象为例, 见图14.2-1和图14.2-2,设阶跃扰动的幅值为A,当时间t→>∞时, 液位将达到新的稳态值h(∞),则图14.2-1一阶水槽对象 h(∞) (t)↑ K 放大系数K越大,表示对象的输入量有一定的变化时对输出量的影响越大,即越灵敏。 0 对于控制通道,放大系数K大,则操纵变量的变化对被控变量的影响就大,控制作用就强,余差也小:反之相反。但太大则会使控制作用过强而使系统的稳定性下降般希望控制控制通道的放大系数K适当地大 0.632h(∞) 对于扰动通道,放大系数K越大,则扰动较小的变化就会使被控变量发生很大的波动,使得最大偏差增大;反之相反。扰动通道的放大系数K越小越好图14.2-2一阶对象特性参数示意图

8   x t m 、   x t m1 、…… xt分别表示 xt的 m 阶、(m-1)阶…一阶导数； n a 、 n1 a … 1 a 、 0 a 及 mb 、 m1 b … 1 b 、 0 b 分别表示方程中的各项系数。在允许的范围内，多数化工对象可以忽略输入量的导数项，因此可表示为：       a y t a y t a y t xt n n n n         1 1 1 因此一阶对象的特性可以表示为： a yt  a yt  xt 1 0 二阶对象的特性可以表示为：   a y t  a yt  a yt  xt 1 0 2 2 ⒉ 用描述对象在一定形式输入作用下的输出函数或曲线来表示所谓对象的动态特性，就是指对象在受到扰动作用或控制作用后，被控变量是如何变化的。因此可以用对象在一定形式输入作用下的输出函数或曲线来表示对象的特性。根据输入形式的不同，主要有阶跃反应曲线（或函数）、脉冲反应曲线（或函数）、矩形脉冲反应曲线等，一般都可以通过实验得到。其中最常用的是阶跃反应曲线。阶跃形式的扰动比较突然，比较危险，对于被控变量的影响最大。如果控制系统能够有效地克服这种扰动，则对于其它比较缓和的扰动也一定能够很好地加以克服。另外，阶跃扰动形式简单，易于实现，便于分析，实验和计算。 14.2.2 描述被控对象的特性参数对象特性可用放大系数 K、时间常数 T 和滞后时间 等参数来表示。 ⑴ 放大系数 K 放大系数 K 是对象的静态特性参数。它表示对象受到输入作用后，重新达到平衡状态时的性能是不随时间而变的。以一阶水槽对象为例, 见图 14.2-1 和图 14.2-2，设阶跃扰动的幅值为 A，当时间 t时，液位将达到新的稳态值 h()，则   A h K   放大系数 K 越大，表示对象的输入量有一定的变化时，对输出量的影响越大，即越灵敏。对于控制通道，放大系数 K 大，则操纵变量的变化对被控变量的影响就大，控制作用就强，余差也小；反之相反。但 K 太大则会使控制作用过强而使系统的稳定性下降。一般希望控制控制通道的放大系数 K 适当地大。对于扰动通道，放大系数 K 越大，则扰动较小的变化就会使被控变量发生很大的波动，使得最大偏差增大；反之相反。扰动通道的放大系数 K 越小越好

(2)时间常数T 时间常数r是对象的动态参数,它是反映对象受到阶跃扰动后被控变量变化的快慢程度的参数,亦即表示对象惯性大小的重要参数。显然,T越大,对象受到相同的阶跃扰动后, 被控变量变化越缓慢,达到新的稳态值所需的时间越长,对象的惯性越大,反之相反。 7的物理意义可以理解为:当对象受到阶跃输1s加料斗入作用后,被控变量如果保持初始速度变化,达到溶质新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后,被控变量达到新的稳态值的63.2%时所需时 )>∞, 皮带输送机廖控测点对于控制通道,时间常数T过大,会使操纵变二|溶液量的控制作用迟缓、超调量过大、过渡时间过长因此要求控制通道的时间常数T小一些,使之反应灵敏、控制及时,从而获得良好的控制质量溶解槽对于扰动通道,时间常数越大,扰动对被控变图14.2-3溶解槽量的影响越缓慢,有利于控制。 (3)滞后时间r Q 滞后时间r是用来描述某些对象在受到扰动作用后,被控变量不能立即而迅速地变化这样一种现象(滞后现象)的动态参数。可分为两类,即纯滞后(又称传递滞后)t和容量滞后τ,r=r+r ①纯滞后 KA一产生纯滞后的原因是由于扰动发生地点与被控变量测量点之间有一定距离,看图14.2-3 在生产过程的自动控制中,除某些特殊的纯滞后对象外纯滞后大多是由于测量元件安装位置不当引起的。对于控制通道,纯滞后r0的存在,使得控制作用总是落图14.2-4多容对象的容量滞后后于被控变量的变化,导致过渡过程振荡加剧,最大偏差增大,过渡时间变长,稳定性变差。因此应尽量减小控制通道的纯滞后对于扰动通道,如果存在纯滞后ro,相当于扰动推迟 0时间影响被控变量,控制作用也相应推迟r0时间,因此不影响控制系统的控制质量 ②容量滞后z 多容对象在受到阶跃干扰后,受控变量的变化速度并非一开始就最大,而是要经过一段时间之后才达到最大值看图1424,多客对象对扰动的响应在时间上存在定大小的滞后,称为容量滞后x,这是多容对象的重要特点。容量滞后τ表示由于容积增多,响应曲线最大变化图1425具有纯滞后的多容对象的滞后时间速度向后推迟的程度。产生容量滞后的原因主要是由于被控对象的几个容积之间存在着阻力所致

9 ⑵ 时间常数 T 时间常数 T 是对象的动态参数，它是反映对象受到阶跃扰动后被控变量变化的快慢程度的参数，亦即表示对象惯性大小的重要参数。显然，T 越大，对象受到相同的阶跃扰动后，被控变量变化越缓慢，达到新的稳态值所需的时间越长，对象的惯性越大，反之相反。 T 的物理意义可以理解为：当对象受到阶跃输入作用后，被控变量如果保持初始速度变化，达到新的稳态值所需的时间。或当对象受到阶跃输入作用后,被控变量达到新的稳态值的 63.2%时所需时间。对于控制通道，时间常数 T 过大，会使操纵变量的控制作用迟缓、超调量过大、过渡时间过长。因此要求控制通道的时间常数 T 小一些，使之反应灵敏、控制及时，从而获得良好的控制质量。对于扰动通道，时间常数越大，，扰动对被控变量的影响越缓慢，有利于控制。 ⑶ 滞后时间 滞后时间τ是用来描述某些对象在受到扰动作用后，被控变量不能立即而迅速地变化这样一种现象（滞后现象）的动态参数。可分为两类，即纯滞后（又称传递滞后）O和容量滞后n，τ=τO+τn。 ① 纯滞后O 产生纯滞后的原因是由于扰动发生地点与被控变量测量点之间有一定距离，看图 14.2-3。在生产过程的自动控制中，除某些特殊的纯滞后对象外，纯滞后大多是由于测量元件安装位置不当引起的。对于控制通道，纯滞后τO的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，导致过渡过程振荡加剧，最大偏差增大，过渡时间变长，稳定性变差。因此应尽量减小控制通道的纯滞后。对于扰动通道，如果存在纯滞后τO，相当于扰动推迟 τO时间影响被控变量，控制作用也相应推迟τO时间，因此不影响控制系统的控制质量。 ② 容量滞后n 多容对象在受到阶跃干扰后，受控变量的变化速度并非一开始就最大，而是要经过一段时间之后才达到最大值（看图 14.2-4），即多容对象对扰动的响应在时间上存在一定大小的滞后，称为容量滞后 n，这是多容对象的重要特点。容量滞后 n表示由于容积增多，响应曲线最大变化速度向后推迟的程度。产生容量滞后的原因主要是由于被控对象的几个容积之间存在着阻力所致

10 图 14.2-5 表示具有纯滞后的多容对象的滞后时间。对于一阶对象，可以用下面的一阶微分方程式来描述其特性：   yt Kxt dt dy t T   （无纯滞后）   yt  Kxt dt dy t T       （有纯滞后）【例 14.2-1】已知一个对象特性是具有纯滞后的一阶特性,其时间常数为 5 min，放大系数为 10，纯滞后时间为 2 min，则描述该对象特性的一阶微分方程式应是下列何种形式？（A）   yt  xt dt dy t 5 10 5 2     （B）   yt  xt dt dy t 2 10 2 5     （C）   yt  xt dt dy t 2 10 2 5     （D）   xt dt dy t 10 2 5   正确答案：（C）题解：具有纯滞后的一阶对象特性的微分方程可用下式表达   yt  Kxt dt dy t T       将 T = 5 min、K = 10、τ= 2 min 代入上式，即得   yt  xt dt dy t 2 10 2 5     答案（A）、（B）、（D）均属没有掌握具有纯滞后的一阶对象的微分方程式。【例 14.2-2】为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定为 t0=0）突然将燃料气量从 2.5t/h 增加到 3.0t/h，重油出口温度记录仪得到的阶跃反应曲线如图 14.2-6 所示。假定该对象为一阶对象，则描述该重油预热炉特性的微分方程式（分别以温度变化量与燃料气变化量为输出与输入）和以燃料气变化量为单位阶跃变化时温度变化量的函数表达式分别为何种形式？（A）   dyt  xt dt dy t 2 60 2 3                  y t e C t 3 2 60 1 （B）   dyt  xt dt dy t 2 60 2 3                  y t e C t 3 2 60 1 （C）   dyt  xt dt dy t 2 60 2 3                  y t e C t 2 3 60 1