1 过程控制系统的基本概念

1、 2021-6-92 前前 言言 v课程简介及课程内容课程简介及课程内容 v课程的重要性课程的重要性 v教学团队教学团队 v课程安排课程安排 v参考文献参考文献 v考核办法考核办法 2021-6-93 课程简介及课程内容课程简介及课程内容 v过程控制仪表过程控制仪表+ +过程控制系统过程控制系统 （Process Control Instrument and SystemProcess Control Instrument and System） v课程简介：本课程为专业基础课，具有较高的课程简介：本课程为专业基础课，具有较高的理论性理论性与与实践性实践性。 其目的和任务是通过本课程的学习，学

2、生将掌握单回路和常见复其目的和任务是通过本课程的学习，学生将掌握单回路和常见复 杂过程控制系统的组成、工作过程、特点以及应用等知识，为毕杂过程控制系统的组成、工作过程、特点以及应用等知识，为毕 业设计及将来学习和工作打下过程控制的专业基础。业设计及将来学习和工作打下过程控制的专业基础。 v主要内容：主要内容： 过程控制仪表与装置：过程控制仪表与装置：包括过程控制仪表的组成与分类、控制包括过程控制仪表的组成与分类、控制 器（可编程调节器）与控制规律、变送器、执行机构与调节阀等；器（可编程调节器）与控制规律、变送器、执行机构与调节阀等； 过程控制系统：包括过程过程控制系统：包括过程控制系统的组成、

3、单回路过程控制系控制系统的组成、单回路过程控制系 统的设计、要求和参数整定；常用复杂过程控制系统的原理和特统的设计、要求和参数整定；常用复杂过程控制系统的原理和特 点，以及设计和应用。此外，还要了解计算机控制系统（点，以及设计和应用。此外，还要了解计算机控制系统（PLC)PLC)、 先进的过程控制系统和智能控制系统，以及各类过程控制系统在先进的过程控制系统和智能控制系统，以及各类过程控制系统在 工业生产过程中的实际应用。工业生产过程中的实际应用。 2021-6-94 相关课程相关课程 热工过程热工过程 控制工程控制工程 前期课程前期课程 计算机应用基础计算机应用基础 计算机程序设计计算机程序设

4、计 流体力学流体力学 传热学传热学 工程热力学工程热力学 自动控制原理自动控制原理 热工测试技术热工测试技术 后续课程后续课程 计算机控制技术计算机控制技术 内燃机电控技术内燃机电控技术 数据采集与处理技术数据采集与处理技术 工程数据分析方法工程数据分析方法 课程设计课程设计 毕业设计毕业设计 Text 2021-6-95 课程的重要性课程的重要性 v本课程是培养学生综合应用所学知识设计工业生产过程本课程是培养学生综合应用所学知识设计工业生产过程 控制系统的控制系统的专业课专业课，具有很强实践性。，具有很强实践性。 v涉及的学科面广，是一门与材料科学、计算机技术、信涉及的学科面广，是一门与材料

5、科学、计算机技术、信 息技术密切相关的快速发展的学科。息技术密切相关的快速发展的学科。 v与专业方向相关：热能工程；电厂动力；内燃机；制冷与专业方向相关：热能工程；电厂动力；内燃机；制冷 与低温工程；环境与设备工程；热工自动化；新能源科与低温工程；环境与设备工程；热工自动化；新能源科 学与工程。学与工程。 v与学术研究相关：热工过程与设备的计算机仿真与优化；与学术研究相关：热工过程与设备的计算机仿真与优化； 节能与环保新技术；热工过程检测；诊断与智能决策；节能与环保新技术；热工过程检测；诊断与智能决策； 现代热物性测试技术；新型制冷系统与装置；空调系统现代热物性测试技术；新型制冷系统与装置；空

6、调系统 与设备节能新技术；与设备节能新技术；CFDCFD建筑能耗分析与管理研究；建建筑能耗分析与管理研究；建 筑室内外空气品质及其控制。筑室内外空气品质及其控制。 2021-6-96 教学团队教学团队 v任课教师：黄学章；张建智；宋彦坡任课教师：黄学章；张建智；宋彦坡 v联系方式：联系方式2021-6-97 课程安排课程安排 v请参考教学日历（请参考教学日历（40学时）学时） v绪论（绪论（4学时）学时）+过程控制仪表（过程控制仪表（8学时）学时）+过过 程控制系统（程控制系统（14学时）学时）+计算机控制系统（计算机控制系统（4 学时）学时）+工程应用（工程应用（6

7、学时）学时）+机动（机动（2学时）学时）+ 复习（复习（2学时）学时） 2021-6-98 参考文献参考文献 1 刘玉长主编，自动检测和过程控制，第四版，冶金工业出版社，刘玉长主编，自动检测和过程控制，第四版，冶金工业出版社，2010 2 周泽魁主编，控制仪表与计算机控制装置，化学工业出版社，周泽魁主编，控制仪表与计算机控制装置，化学工业出版社，2002 3 何衍庆、俞金寿主编，工业生产过程控制，化学工业出版社，何衍庆、俞金寿主编，工业生产过程控制，化学工业出版社，2004 4 潘永湘主编，过程控制与自动化仪表第潘永湘主编，过程控制与自动化仪表第2版，机械工业出版社，版，机械工业出版社，200

8、7 5 曹润生等编，过程控制仪表，浙江大学出版社，曹润生等编，过程控制仪表，浙江大学出版社，1987 6 徐春山主编，过程控制仪表，冶金工业出版社，徐春山主编，过程控制仪表，冶金工业出版社，1995. 7 吴勤勤主编，控制仪表及装置，第二版，化学工业出版社，吴勤勤主编，控制仪表及装置，第二版，化学工业出版社，2002 8 方康玲主编，过程控制系统，武汉理工大学出版社，方康玲主编，过程控制系统，武汉理工大学出版社，2002 9 王骥程、祝和云主编，化工过程控制工程，化工出版社，王骥程、祝和云主编，化工过程控制工程，化工出版社，1981 10 向婉成主编，过程控制调节装置，机械工业出版社，向婉成主

9、编，过程控制调节装置，机械工业出版社，1987 11 涂植英等主编涂植英等主编,过程控制系统过程控制系统, 机械工业出版社，机械工业出版社，1988 12 金以慧主编，过程控制，清华大学出版社，金以慧主编，过程控制，清华大学出版社，1993.4 13 孟华主编，工业过程检测与控制，北京航空航天大学出版社，孟华主编，工业过程检测与控制，北京航空航天大学出版社，2002 14 俞金寿、蒋慰孙编著，过程控制工程，电子工业出版社，俞金寿、蒋慰孙编著，过程控制工程，电子工业出版社，2007 15 林德杰主编，过程控制仪表及控制系统，机械工业出版社，林德杰主编，过程控制仪表及控制系统，机械工业出版社，20

10、04 16 侯志林，过程控制与自动化仪表，机械工业出版社，侯志林，过程控制与自动化仪表，机械工业出版社，2007 2021-6-99 考核办法考核办法 v平时成绩平时成绩(30%)期末笔试期末笔试(70%) v平时成绩：考勤（平时成绩：考勤（5分分/次）次） 作业（作业（5分分/次）次） 回答问题（回答问题（5分分/次）次） 课堂秩序（课堂秩序（5分分/次）次） v考勤有考勤有4次未到者或平时成绩不及格者，取消考试资格次未到者或平时成绩不及格者，取消考试资格 2021-6-910 q 1.1 1.1 过程控制系统的组成与分类过程控制系统的组成与分类 q 1.2 1.2 过程控制系统的过渡过程和

11、品质指标过程控制系统的过渡过程和品质指标 q 1.3 1.3 被控对象特性被控对象特性 q 1.4 1.4 被控过程的数学模型被控过程的数学模型 第一章第一章 过程控制系统的基本概念过程控制系统的基本概念 2021-6-911 进进 料料 口口 出出 料料 口口 H 玻璃管液位计玻璃管液位计 进进 料料 口口 执执 行行 器器 变变 送送 器器 调调 节节 器器 1.1.1 过程控制系统过程控制系统 2021-6-912 水槽液位控制 F1 L C 工作过程： F1增加 L增加 变送器输出信号增加 偏差 （测量值-设定值）为正、增加 控制器输出增加 阀开度增加 F2增加 L降低； F2 F1

12、2021-6-913 1.1.1 过程控制系统过程控制系统 （a）手动控制 （b）自动控制 蒸汽 汽包 省煤器 给水 LTLC 蒸汽 汽包 省煤器 给水 玻璃管液位计 锅炉汽包液位控制 2021-6-914 1.1.1 过程控制系统过程控制系统 2021-6-915 1.1.1 过程控制系统过程控制系统 热空气 燃料 燃料嘴 炉 膛 汽 包 过热器 减温器 PM D 负荷设备 调节阀 过热蒸汽送 负荷设备 炉墙 省 煤 器 热空气 送往炉膛 给水 空气预热器 冷空气 烟气 (经引风机送往烟囱) 2021-6-916 锅炉设备的三大控制系统 给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量 水 位 蒸汽温

13、度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压 负 荷 锅炉设备 主要控制系统：（1）锅炉汽包水位的控制；）锅炉汽包水位的控制； （2）锅炉燃烧系统的控制；）锅炉燃烧系统的控制； （3）过热蒸汽系统的控制。）过热蒸汽系统的控制。 2021-6-917 1.1.1 过程控制系统过程控制系统 （a）手动控制 （b）自动控制 蒸汽 汽包 省煤器 给水 LTLC 蒸汽 汽包 省煤器 给水 玻璃管液位计 锅炉汽包液位控制 2021-6-918 1.1.1 过程控制系统过程控制系统 2021-6-919 1.1.2 过程控制系统的组成过程控制系统的组成 2021-6-920 工作原理： 燃油量增加 T2增大 T1增大变

14、送器输出信号增加 偏差（测量 值-设定值）为正、增加 控制器输出减小 （反作用）阀开度减小 燃油量降低 讨论：分析原油量减少的控制过程； 加热炉温度控制 2021-6-921 1.1.2 控制系统组成 简单控制系统由检测变送单元、控制器、执行器和被控对象组成。简单控制系统由检测变送单元、控制器、执行器和被控对象组成。 被控对象被控对象：是指某些被控制的装置或设备。例如加热炉、高炉、沸是指某些被控制的装置或设备。例如加热炉、高炉、沸 腾炉、回转窑以及贮藏物料的槽罐或输送物料的管段等。腾炉、回转窑以及贮藏物料的槽罐或输送物料的管段等。 检测元件和变送器检测元件和变送器：用于检测被控变量，并将检测到

15、的信号转换为：用于检测被控变量，并将检测到的信号转换为 标准信号输出。标准信号输出。 控制器控制器：用于将检测变送单元的输出信号与设定值信号进行比较，：用于将检测变送单元的输出信号与设定值信号进行比较， 按一定的控制规律对其偏差信号进行运算，运算结果输出到执行器。按一定的控制规律对其偏差信号进行运算，运算结果输出到执行器。 执行器执行器：执行器接收控制器的输出信号，通过改变执行器节流件的：执行器接收控制器的输出信号，通过改变执行器节流件的 流通面积来改变操纵变量。流通面积来改变操纵变量。 2021-6-922 1.1.3 控制系统方框图控制系统方框图 2021-6-923 控制装置执行器过程

16、检测元件、变送器 r(t) 比较 机构 - e(t) u(t) q(t) y(t) f(t) c(t) 扰动 广义对象 被控变量 测量值 控制器 设定值 1.1.3 控制系统方框图控制系统方框图 2021-6-924 控制系统框图 控制装置执行器过 程 + r(t) e(t) _ 检测元件、变送器 比较机构 控制器 q(t) 被控变量 c(t) 扰动 f(t) 广义对象 测量值y(t) 闭环控制系统的组成 u(t) 注意几个变量的区别： 被控变量被控变量c c 、给定值（或设定值）、给定值（或设定值）r r、测量值测量值y y 、操纵变量、操纵变量 （或控制变量）（或控制变量）q q、干扰（或

17、外界扰动）、干扰（或外界扰动）f f 、偏差信号、偏差信号e e 、 控制信号控制信号u u 、闭环系统、闭环系统 、开环系统、反馈。、开环系统、反馈。 2021-6-925 控制器控制器被控对象被控对象 测量变送装置测量变送装置 + SP 执行器执行器 2021-6-926 2021-6-927 2021-6-928 2021-6-929 锅炉磁力水位仪锅炉磁力水位仪射频导纳物位计射频导纳物位计电动浮筒液位计电动浮筒液位计 2021-6-930 控制器控制器被控对象被控对象 测量变送装置测量变送装置 + SP 执行器执行器 压力变送器压力变送器一体式温度变送器一体式温度变送器扩散硅液位变送器

18、扩散硅液位变送器 2021-6-931 控制器控制器被控对象被控对象 测量变送装置测量变送装置 + SP 执行器执行器 数字调节器数字调节器 模拟调节器模拟调节器 2021-6-932 控制器控制器被控对象被控对象 测量变送装置测量变送装置 + SP 执行器执行器 直行程电动执行器直行程电动执行器 2021-6-933 复杂过程控制系统复杂过程控制系统 控制器控制器被控对象被控对象 测量变送装置测量变送装置 + SP 执行器执行器 过程控制系统实验装置过程控制系统实验装置 1、控制系统的被控量包含了温度、控制系统的被控量包含了温度、 压力、流量、液位四大热工参数。压力、流量、液位四大热工参数。

19、 2、执行器中既有仪表类执行器，又、执行器中既有仪表类执行器，又 有交流变频器、加热控制器、加热器有交流变频器、加热控制器、加热器 等电力拖动类执行器。等电力拖动类执行器。 3、该装置是一个微型的锅炉加热、该装置是一个微型的锅炉加热、 给排水系统，是模拟了工业现场的小给排水系统，是模拟了工业现场的小 型工厂，具有真实可靠性和直观性。型工厂，具有真实可靠性和直观性。 4、通过工业总线，上位机可对装置、通过工业总线，上位机可对装置 进行实时监测控制。进行实时监测控制。 5、可提供监控图形画面。、可提供监控图形画面。 2021-6-934 过程控制实验装置监控画面过程控制实验装置监控画面 2021-

20、6-935 2021-6-936 1.1.4 过程控制系统的分类 （一）按系统的结构特点分类： 1、反馈控制系统、反馈控制系统 2、前馈控制系统、前馈控制系统 3、前馈、前馈-反馈控制系统反馈控制系统 （二）按给定值信号的特点分类 1、定值控制系统、定值控制系统 2、随动控制系统、随动控制系统 3、程序控制系统、程序控制系统 2021-6-937 1.1.4 过程控制系统的分类 2021-6-938 1.1.4 过程控制系统的分类 2021-6-939 1.1.4 过程控制系统的分类 （一）按系统的结构特点分类： 1、反馈控制系统、反馈控制系统 2、前馈控制系统、前馈控制系统 3、前馈、前馈-

21、反馈控制系统反馈控制系统 （二）按给定值信号的特点分类 1、定值控制系统、定值控制系统 2、随动控制系统、随动控制系统 3、程序控制系统、程序控制系统 2021-6-940 1.1.4 过程控制系统的分类 2021-6-941 1.1.4 过程控制系统的分类 t0 1 23 4 T 5 2021-6-942 1.1.4 过程控制系统的分类 2021-6-943 过程控制发展的历史：过程控制发展的历史： （1）1930-1940年代。微分方程解析方法。主要研究单输入、 单输出控制系统。采用基地式仪表和部分气动单元组合仪 表。 （2）1940-1950年代。经典控制理论频域法、根轨迹法。 主要研究

22、定值控制系统的分析和综合问题。采用基地式仪 表和大量气动单元组合仪表。 （3）1950-1960年代。现代控制理论极小值原理、动态 规划、随机性系统的最小二乘状态估计等。系统辩识和参 数估计、随机控制、自适应控制和鲁棒控制等控制领域的 理论分支相继得到开发和研究。PID控制和复杂控制系统。 1.1.5 过程控制系统的发展概况 2021-6-944 （4）1970-1980年代，为解决大规模复杂系统的优化和控制 问题，现代控制理论与系统理论相结合，形成大系统控制 理论。出现高维线性系统，同时，基于知识的专家系统、 模糊控制、人工神经网络控制、学习控制和基于信息论的 智能控制、含有大量不确定性和难

23、于建模的复杂控制系统 应运而生，并在许多应用领域得到广泛应用。这阶段的仪 表从直接数字控制进化为集散控制系统。 （5）1980开始。随着计算机技术、显示技术、控制技术、 通讯技术的发展，工业生产过程控制也得到了飞速发展。 现场总线控制系统和仪表开始得到应用。工业生产过程和 控制与管理集成在一起，组成了计算机集成过程控制系统， 或综合自动化系统。 2021-6-945 1.2 过程控制系统的过渡过程和品质指标 1.2.1 自动控制系统的静态和动态 在自动控制中，把被控量不随时间而变化的 平衡平衡状态称为系统的静态，而把被控量随时间而 变化的不平衡状态称为系统的动态。 当一个自动控制系统的输入(设

24、定值和扰动)及输出均恒定不变时， 整个系统就处于一种相对的平衡状态，系统的各个组成环节如变送器、 控制器、控制阀都不改变其原先的状态，他们的输出信号都处于相对 静止状态，这种状态就是上述的静态。必须注意，这里所指的静态并 不是一般所说的静止状态。一般所说的静止是指静止不动，而在自动 控制中，静态是指各参数(或信号)的变化率为零，即参数保持不变， 因为系统处于静态时，生产还在进行，物料和能量仍有进出，只是平 稳的进行没有改变就是了。 2021-6-946 1.2 过程控制系统的过渡过程和品质指标 1.2.1 自动控制系统的静态和动态 在生产过程中，扰动是客观存在，且是不可避免的， 因此了解系统的

25、静态是必要的，但是了解系统的动态更为 重要。例如生产过程中前后工序的互相影响，负荷的改变， 电压、气压的波动，气候的影响等等，这些扰动是破坏系 统平衡状态，引起被控量发生变化的外界因素。在一个自 动控制系统投入运行时，时时刻刻都有扰动作用于被控对 象，以至破坏正常的生产状态，因之就需要通过自动控制 装置，不断的施加调节作用去对抗或抵消扰动作用的影响， 从而使被控量保持在生产所要控制的技术指标上。 2021-6-947 1.2.2 过程控制系统的过渡过程 当控制系统的输入发生变化后，被控变量随时间不当控制系统的输入发生变化后，被控变量随时间不 断变化的过程称为系统的过渡过程。断变化的过程称为系统

26、的过渡过程。也就是系统从一个平 衡状态到达另一个平衡状态的过程。在阶跃扰动作用下， 系统的过渡过程主要有以下几种形式： (a) 发散振荡 (b) 等幅振荡 (c) 衰减振荡 (d) 单调过程 过渡过程的几种基本形式 2021-6-948 1.2.3 控制系统的品质指标 1、稳定性：是控制系统性能的首要指标。表明组成控制 系统的闭环极点应位于s左半平面。 2、准确性：是控制系统的重要性能指标。表明控制系统 的被控变量与参比变量（设定值）之间的偏差，即静 态偏差应尽可能小。 3、快速性：也是控制系统的重要性能指标。当控制系统 受到扰动影响时，控制系统应尽快地做出响应，改变 操纵变量，使被控变量与参

27、比变量之间有偏差的时间 尽可能短。 4、偏离度：也是重要的控制系统性能指标。表示在控制 系统运行过程中被控变量偏离参比变量的离散程度。 2021-6-949 时域控制性能指标 v用阶跃输入信号阶跃输入信号作用下控制系统输出响应曲线表示 的控制系统性能指标称为时域控制性能指标。 2021-6-950 1、衰减比 n 稳定性指标 衰减率 二阶系统常用衰减度 m 表示衰减的程度。 2 1 B B n %100 1 21 B BB 2021-6-951 2、超调量和最大动态偏差稳定性指标 超调量： 最大动态偏差： %100 1 C B CBA 1 2021-6-952 3、余差准确性指标 4、回复时间

28、和振荡频率快速性指标 过度过程要绝对达到新稳态值需要无限 时间，因此，用被控变量从过渡过程开始到 进入稳态值5%或2%范围内的时间作为 过渡过程的回复时间TS。 过渡过程的振荡频率与振荡周期的关系： Cryre T 2 2021-6-953 5、偏离度 控制系统偏离度是被控变量统计特性的 描述。在控制系统运行过程中，被控变量的 分布通常遵循正态分布。 被控变量的正态分布曲线被控变量的正态分布曲线 2021-6-954 例： 某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡 过程曲线如图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、过程曲线如图所示。试分

29、别求出最大偏差、余差、衰减比、 振荡周期和回复时间（给定值振荡周期和回复时间（给定值200）。）。 t/min 230 210 205 200 5 20 温度控制系统过渡过程曲线 220 温度/ 2021-6-955 解解 最大偏差最大偏差：A=230-200=30 余差余差：C=205-200=5 衰减比衰减比：由图上可以看出，第一个波峰值：由图上可以看出，第一个波峰值B1=230- 205=25，第二个波峰值，第二个波峰值B2=230-205=5，故衰减比应，故衰减比应 为为B1 B2 =25 5=5 1。 振荡周期：振荡周期：为同向两波峰之间的时间间隔，故周期为同向两波峰之间的时间间隔，

30、故周期 T=20-5=15（min） 过渡时间过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，与规定的被控变量限制范围大小有关， 假定被控变量进入额定值的假定被控变量进入额定值的2%，就可以认为过渡过，就可以认为过渡过 程已经结束，那么限制范围为程已经结束，那么限制范围为200（2%）=4， 这时，可在新稳态值（这时，可在新稳态值（205）两侧以宽度为）两侧以宽度为4画画 一区域，图中以画有阴影线区域表示，只要被控变量一区域，图中以画有阴影线区域表示，只要被控变量 进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经进入这一区域且不再越出，过渡过程就可以认为已经 结束。因此，从图上可以看出，过渡时间为结束

31、。因此，从图上可以看出，过渡时间为22min。 2021-6-956 积分性能指标 1、误差平方积分鉴定指标ISE 缺点：会产生振荡的响应缺点：会产生振荡的响应 2、绝对误差积分鉴定指标IAE 缺点：最小系统误差的确定有困难缺点：最小系统误差的确定有困难 3、时间乘绝对误差积分鉴定指标ITAE 缺点：积分鉴定指标的解析解不易获得缺点：积分鉴定指标的解析解不易获得 不同积分性能指标对控制系统优良程度不同积分性能指标对控制系统优良程度 的侧重点不同。的侧重点不同。 2021-6-957 1.3 被控对象特性 在过程控制系统中，锅炉、热交换器、反应器、加热炉、窑 炉、料仓、贮槽、流体输送设备及一些动

32、力设备等等是最常见的 被控对象。 各种对象千差万别，每个对象都有其自身的固有的特性，而 对象特性的差异对整个系统的运行控制有着很大的影响。有的对 象很容易操作，控制比较平稳；有的生产过程很难操作，只要不 小心就会超出正常工艺条件，轻则影响生产，重则造成事故。 因此，只有全面了解和掌握被控对象动态特性，才能合理的 设计控制方案，选用合适的检测和控制仪表，进行控制器参数整 定。特别是要设计高质量的、新型复杂的控制方案时，如前馈控 制、自适应控制、计算机最优控制等等，由于涉及到过程的数学 模型问题，更离不开对被控对象特性的研究。 2021-6-958 1.3 被控对象特性 过程特性过程特性是指当被控

33、量（操纵变量或扰 动变量）发生变化时，其输出变量（被控变 量）随时间的变化规律。 多数工业过程的特性分为四种类型。 （1）自衡的非振荡过程； （2）无自衡的非振荡过程； （3）自衡的振荡过程； （4）具有反向特性的过程。 2021-6-959 （1）自衡的非振荡过程。该类过程在阶跃输入信号作用 下的输出响应曲线没有振荡地从一个稳态趋向于另一个 稳态。 例如：液位储罐在进料阀开 度增大时，原来的稳定液位 会上升，由于出料阀开度未 变，随着液位的升高，静压 增大，出料流量也增大，因 此，液位上升逐渐变慢，直 到液位达到一个新的稳定位 置。 传递函数： s S e T K sG 1 )( 2021-

34、6-960 （2）无自衡的非振荡过程。该过程没有自衡能力， 它在阶跃输入信号作用下输出响应曲线无振荡地 从一个稳态一直上升或下降，不能达到新的稳态。 例如：某些液位储罐的出料 阀采用定量泵排出，当进料 阀开度阶跃变化时，液位会 一直上升到溢出或下降到排 空。 传递函数： s e s K sG )( s s e sT K sG 1 )( 2021-6-961 （3）自衡的振荡过程。该过程具有自衡能力，它 在阶跃输入信号作用下输出呈现衰减振荡特性， 最终过程会趋于新的稳态值。 s e ss K sG 22 2 )( 2021-6-962 （4）具有反向特性的过程。该类过程在阶跃输入 信号作用下开始

35、与终止时出现反向的变化。 该类过程的典型例子就是锅炉水位。 2021-6-963 （a）手动控制 （b）自动控制 锅炉汽包液位控制 蒸汽 汽包 省煤器 给水 LTLC 蒸汽 汽包 省煤器 给水 玻 管 液 位 计 当蒸汽用量阶跃增加时，引起蒸汽压力突然下降，汽包水位 由于水的闪急汽化，造成虚假水位上升，但因用汽量的增加，最 终，水位反而下降。这类过程由于控制器根据水位的上升会做出 减少给水量的误操作，因此，控制这类过程最为困难。 2021-6-964 描述对象特性的参数： （放大系数、时间常数、滞后时间）（放大系数、时间常数、滞后时间） 1 2 L 储液槽 F1 F2 以储液槽对象为例： 水经

36、过阀门不断地流入水槽，水槽内的水又通过阀门不断流 出，工艺上要求水槽液位保持一定数值。此处，水槽就是被控对象， 液位就是被控量。如果阀门的开度不变，而阀门的开度变化， 则此阀门的开度变化就是引起液位变化的扰动因数。这里所指的 对象特性是指当阀门的开度发生变化，也就是输入水量F1发生变化 时，液位是如何变化的。 2021-6-965 当通过阀流入水槽的流量F1等于流出水槽的流量F2时，槽内液位 就保持在L0不变。如果假定在某时刻突然开大阀门1，并设输入水槽流 量变化，则由于阀2开度未变，液位上升，上升，液体静压加 大，使得输出流量F2也随之增加，经过一段时间，F1等于F2，即输入与 输出平衡，故

37、稳定在一新的数值L2。的变化开始快以后逐渐变慢， 最后稳定在L2不变，其原因乃是开始时F1与F2差别大，以后由于的增 加，F1与F2的差别逐渐减小直到完全消除。由此可得水流量变化与 液位变化的变化曲线如图所示。此曲线可以描述对象特性。尽管不 同对象可以作出不同的变化曲线，但基本上都可以用几个主要物理量来 说明对象的特性。 液位和流量变化曲线 F F1 F10 L2 L0 L F1 F2 1 2 L 储液槽 F1 F2 2021-6-966 1、放大系数K 由上例可知，在稳定状态下，一定的F对应着一定的 L，且令K为L与F之比，用数学表示，即KL/F或 LKF。 放大系数K是一个静态特性参数，只

38、与被控量的变化 过程起点与终点有关，而与被控量的变化过程没有关系。 利用放大系数K，可以获得任何幅值阶跃扰动（输入变化 值）对被控量（输出变化值）的静态影响；K K愈大（或愈愈大（或愈 小），则输入对输出稳定值的影响愈大（或愈小）小），则输入对输出稳定值的影响愈大（或愈小）。显然， 不同扰动通过不同通道进入对象时，对输出的影响各不相 同，也即对象的放大系数是不同的。 2021-6-967 1、放大系数K 因此：在考虑控制方案时，应分析各种扰动对被控量 的影响，比较它们的放大系数，分析它们的可控性能，选 择放大系数较大，可控性能较好的作为操纵量，以利于迅 速克服扰动对被控量的影响。 2021-6

39、-968 2、时间常数Tc 时间常数Tc是说明被控量变化快慢的参数。从大量的生产实践中 发现，有的对象受到扰动作用后，被控量变化很快，能较迅速地达到 了稳定值；有的对象，被控量要经过很长时间才能达到新的稳定值， 由图可以看出，不同对象，其时间常数不同，当受到阶跃扰动时，其 响应曲线是不一样的。 水槽液位单容对象 时间常数Tc的求解方法：上图所示 的水槽对象是没有滞后的单容对象， 其响应曲线是一条指数曲线，被控量 液位经过一段时间之后，稳定在一 新的数值L；由o点作响应曲线的切 线交L于B，则ob即为时间常数Tc。 一般说来，时间常数时间常数T Tc c小，则对小，则对 象惯性小，被控量变化速度

40、大，不易象惯性小，被控量变化速度大，不易 控制。控制。 2021-6-969 3、滞后时间 有的对象在受到扰动作用后，被控量不是立即变化，而是经过一 段时间后才开始变化。 0 测点在管道上的蒸汽直接加热器及其特性 F F1 F10 T2 T1 F T F1 F2 l T F 蒸汽 水溶液 2021-6-970 3、滞后时间 在实际生产过程中，纯滞后的现象是普遍存在的，因为 控制阀门等的安装位置与对象本身之间总有一段距离，输入 量（或输出量）的改变和信息的传递均需要时间；另外在被 控量虽已发生变化，但要在显示仪表上反映出来，也有一个 信息传递的问题，因此我们把纯滞后也叫做传递滞后纯滞后也叫做传递

41、滞后。传递 滞后随调节机构与检测元件之间安装距离的增加而增大。传 递滞后给自动控制带来很大的困难，因为在这段时间内，控 制装置无能为力，控制器不可能在感受到偏差以前就发出控 制信号，所以在自动控制系统中，应当尽可能地避免或减小 过程的传递滞后。 2021-6-971 注意： 放大系数K是用来表征对象静态特性静态特性的参数，而时 间常数Tc和滞后时间都是用来表征对象受到扰动作 用后被控量是如何变化的，因此它们是反映对象动态动态 特性特性的参数。 2021-6-972 注意： 最后还应指出，对象的特性还与其负荷变化有关。 所谓对象的负荷，是指对象的生产能力或运行能力。 负荷的改变，是由生产需要决定

42、的。当负荷在生 产允许的极限范围内变化时，设备就正常运转，但是 负荷变化后，对象的各种阻力就会改变，以致使对象 的容量、放大系数和时间常数等对象特性亦会改变； 另外负荷变化，物料输送量或输送速度也会随之而变， 因而也会影响传递滞后。总之，被控对象在不同负荷 下，它的特性参数是不同的。在设计自动控制系统时， 就应当考虑到负荷变化的影响，使系统各组成环节适 应对象负荷的变化，保证控制的质量要求。 2021-6-973 1.4 过程动态模型的建立 一个过程控制系统由被控过程和检测控制仪表两部 分组成。因此，系统的控制品质取决于被控过程和检测被控过程和检测 控制仪表的特性控制仪表的特性。由于过程控制仪

43、表的特性是可以人为 改变的，以适应不同被控过程的需要。因此，系统控制 品质的优劣，主要取决于对生产过程的了解和建立被控对生产过程的了解和建立被控 过程的数学模型过程的数学模型。 建立过程动态模型的方法： （1）系统辨识法 （2）机理建模法 （3）混合方法 2021-6-974 系统辨识方法 根据过程输入输出数据确定过程模型的结构和参数 的建模方法称为系统辨识方法，建立的模型称为黑箱模 型。 根据所建立模型的参数不同，系统辨识法可分为非 参数模型辨识和参数模型辨识两类方法。 上面介绍的四类过程特性是用非参数模型辨识建立 的模型。非参数模型的过程特性参数可用曲线拟合法估 计。 参数模型辨识方法根据输入输出数据用参数估计的 方法确定参数模型中的有关参数值。常用的参数模型有 自回归模型、扩展自回归模型。参数估