中国石油大学过程控制课件 02 过程动态特性

1、过程动态特性分析 内容控制系统系能指标过程特性分类 过程特性机理建模法 执行机构介绍 过程特性测试建模法 Summary一般的反馈控制系统 控制目标 ?控制系统性能指标稳态（稳态（StaticStatic）：被控量不再随时间变化时，系统处于平衡状态。动态（动态（DynamicDynamic）：被控量随时间变化，系统处于不平衡动态时。过渡过程：从一个平衡态到另一个平衡态，控制作用实施的过程。控制系统性能指标(a)（b）为不稳定的过程，生产不希望的情况。(c)、(d)稳定，但(d)非周期振荡虽能稳定下来，但偏差太大，过渡过程缓慢，时间也较长。控制系统性能指标综合性能指标单项性能指标时域指标频域指标

2、最大动态偏差ym或超调量 衰减率衰减比n 控制过程时间ts 其它指标静态偏差y()或e()控制系统性能指标控制系统性能指标控制系统性能指标一般的反馈控制系统 影响动态指标的因素? 被控过程动态特性的重要性不同的被控过程具有不同的特性很难改变广义的被控过程（包括测量与执行机构）很容易改变控制器参数控制工程师能做的就是调整控制器使其适合被控过程对于某一被控过程，最适合其特性的最对于某一被控过程，最适合其特性的最简单的控制器是最好的控制器。简单的控制器是最好的控制器。动态特性及分类静态特性：静态特性：输入/输出的稳态关系（稳定后相应的关系）用代数方程表示。动态特性：动态特性：输入变化后，输出随时间变

3、化的特性。用微分方程表示，另外还有：传递函数、动态结构图。自衡过程/稳定对象(1) 单容过程(2) 多容过程非自衡过程例如：某些液位对象与某些放热反应器被控过程举例#1该被控过程是稳定的，为什么 ?被控过程举例#2该被控过程是不稳定的，为什么 ?被控过程举例#30( ( )( )oQKA u thh t该被控过程是否是稳定的，为什么 ?获取过程动态特性的途径 基于过程动态学的机理建模根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动态特性。基于过程数据的测试建模为获取过程动态特性，手动改变某一被控过程的输入，同时记录过程输入输出数据；并基于

4、过程数据建立输入与输出之间动态模型。建模举例 #1（p. 27）HQiQoAoiQQdtdHAHkQoHkQdtdHAin 物料平衡方程：问题讨论：如何采用SimuLink建立被控过程的仿真模型并设置初始运行状态? n 出口流量与液位的关系：对于该液位受控过程，选择h2 为 其被控变量（CV）， 并选取 Qi 为操作变量（MV），而Qd 为主要 干扰。各贮罐出口流量满足以下方程： 建模举例 #2,111hkQ 222hkQ 试建立该过程的动态方程以描述CV与MV、DV之间的关系，并构建Matlab/SimuLink 仿真模型。 建模举例 #2（续）2122111,QQdtdHAQQdtdHAi

5、222111,HkQHkQ2211221111,HkHkdtdHAHkQdtdHAiH1QiQ1A1H2Q2A2n 物料平衡方程：n 出口流量与液位的关系：单容过程举例 #105101520253035404550253035404550556065Time, minTemperatureInlet Temp.Outlet Temp.speepest slope 单容过程举例 #2HQiQoA051015202530354045502530354045T/hrInlet Flow0510152025303540455046810Time, minmeterLiquid Level( )?( )

6、iH sQ s单容过程举例 #3( )?( )H su s051015202530354045503040506070%Valve Position0510152025303540455046810Time, minmeterLiquid Level多容过程举例 #4010203040504550556065Ti(t)010203040504550556065T1(t)010203040504550556065T2(t)010203040504550556065T5(t)Time, min描述过程特性的关键参数过程增益（K）过程输出（响应输出）的变化量与过程输入（施加激励）的变化量的比值，即f

7、inalinitialfinalinitialOOOutputKInputIIn过程一阶时间常数（T）n过程纯滞后时间（）05101520253035404550253035404550556065Time, minTemperatureInlet Temp.Outlet Temp.speepest slope 过程增益计算举例 #1(4530) Cent(6050) CentCent outlet temp.1.5Cent inlet temp.finalinitialfinalinitialOutputKInputOOII过程增益计算举例 #2HQiQoA05101520253035404

8、5502530354045T/hrInlet Flow0510152025303540455046810Time, minmeterLiquid Level(95)(4030)/0.4/finalinitialfinalinitialOutputKInputOOIImeterT hrmeterT hr过程增益计算举例 #3(49)(6040) %0.25%finalinitialfinalinitialOutputKInputOOIImetermeter 051015202530354045503040506070%Valve Position0510152025303540455046810

9、Time, minmeterLiquid Level过程增益备注过程增益描述了稳态条件下，过程输出对输入变量变化的灵敏度。被控过程增益包括三部分：符号、数值符号、数值与单位与单位。过程增益只涉及两个稳态，因此说过程增益反映了被控过程的静态或稳态特性。有时，也称“静态/稳态增益”。05101520253035404550345678910Time, minmeterLiquid Level9+(4-9)*63.2% = 5.84 T 过程一阶时间常数（T） 基本定义对单容过程而言，过程一阶时间常数定义为过程输出开始变过程输出开始变化至达到全部变化至达到全部变化的化的63.2%63.2%所需所需的

10、时间的时间. .过程纯滞后时间（）基本定义过程纯滞后时间定义为过程输入施加过程输入施加激励至过程输激励至过程输出开始变化所出开始变化所需的时间需的时间. .05101520253035404550253035404550556065Time, minCentInlet/Outlet Temp.Inlet Temp. Outlet Temp. T 关于过程特性参数 K, T,这三个参数的取值描述了一个实际被控过程的基本特性，其中 K 反映静态特性，而T、 反映了过程的动态特性。 由于绝大多数工业过程为非线性对象，即使对于同一被控过程，上述参数也将随工况的变化而变化。对象两时间参数的比值（/ T）

11、直接关系到控制系统的可控性。/ T越大，控制难度越大。对象特性对控制性能的影响（一）调节通道：K0：K0大，调节灵敏，但K0太大，易不稳定。T0：应适当小，调节较快。若T0太大，反应太慢； 0：降低稳定性，0=0最好。（二）、干扰通道：Kf小对系统有利。Tf缓慢变化有利。f：纯滞后时间大小不影响调节效果。1)(0000STeKsGsSTffffeSTKsG1)(多容过程数学模型的描述多阶模型二阶加纯滞后模型一阶加纯滞后模型( )( )1sO sKeI sTs1( )( )(1)niiO sKI sTs12( )( )(1)(1)sO sKeI sTsT s实际工业过程的动态特性绝大多数被控过程

12、为自衡对象（除部分液位对象外），因此均可用上述特性参数描述。所有被控过程均具有一定范围的纯滞后。被控过程的阶跃响应经常是单调且缓慢的（响应时间通常为分级、部分流量对象为秒级）由于被控过程的非线性，上述特性参数的取值通常与操作工况有关。检测元件及变送器特性过程描述与信号流程图 ?温度控制系统的信号流程图检测元件及变送器特性检测元件的动态特性，可以写成：R对Y有微分作用由于Tm 的存在，Z的最大偏差比Y小，掩盖了真实的最大偏差值（Y早已超过限度，z还是能满足要求）1)()(STeKsXsYmsmm调节阀特性功能：根据阀头气压的大小，通过阀杆改变阀体中阀芯的位置，进而调节流经阀体的流体流量。调节阀气

13、开/气关特性 #1 控制阀#2 控制阀阀门的“气开”与“气关”1. 气开阀与气关阀气开阀与气关阀 气开阀： pc f (“有气则开”) 气关阀： pc f (“有气则关”) 无气源( pc = 0 )时，气开阀全关，气关阀全开。2. 气开阀与气关阀的选择原则气开阀与气关阀的选择原则 * 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。控制阀气开气关特性选择举例调节阀的理想流量特性（固有流量特性）100806040200204060801003.3f 100l 1001243调节阀理想流量特性调节阀理想流量特性：通过控制阀的

14、流量和阀门开度之间的函数关系。( )flf 为相对流量；l 为相对开度：n 线性阀线性阀（1）：fKdldfn 等百分比阀或称对数阀等百分比阀或称对数阀（2）：fKdldff调节阀的工作流量特性分析阀阻比阀阻比 S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即10010010010011pppppSeepSepppSpep0Qp调节阀的工作流量特性分析100806040200204060801003.3q 100l 100S100= 10.750.500.20100806040200204060801003.3q 100l 100S100= 10.800.500.20线性阀的特性变异对数阀

15、的特性变异LlQQKv/max调节阀流量特性总结 线性阀：线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50 70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。 对数阀：对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少， Kv 渐近于常数。调节阀流量特性的选择n 选择原则：通过选择一条合适的非线性曲选择原则：通过选择一条合适的非线性曲线，去补偿其他环节特性变化引起的对稳线，去补偿其他环节特性变化引起的对稳定性的影响定性的影响仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0. 60 以上（即调

16、节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。控制系统“广义对象”的概念“广义对象”包括控制回路中除控制器外的每一部分。它反映了控制器输出对CV测量输出的影响。 控制系统“广义对象”的概念控制器GC (s)执行器GV (s)控制通道GP (s)测量变送Gm (s)ysp(t)+_u(t)q(t)扰动D(t)干扰通道GD (s)+广义对象y(t)ym (t)特点:（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。1spppK eGT s可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：获取过

17、程动态特性的途径 基于过程动态学的机理建模根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动态特性。基于过程数据的测试建模基于过程数据的测试建模为获取过程动态特性，手动改变某一被控过程的输入，同时记录过程输入输出数据；并基于过程数据建立输入与输出之间动态模型。广义对象的特性参数 广义对象过程增益（Kp）传感变送器输出（即广义对象输出）的稳态变化量与控制器输出（即广义对象输入）的稳态变化量之比值, %, %finalinitialpfinalinitialTOTOKCOCOn过程时间常数（Tp）n过程纯滞后时间（p）对象特性的阶跃响应测试法借

18、助于阶跃响应试验，获取过程输入输出CO（控制器输出）与TO （变送器输出）的动态响应数据。(1) 将控制器改为“手动”操作模式；(2) 以阶跃方式，改变控制器输出；(3) 记录控制器输出与变送器输出响应数据。基于过程测试数据，估计广义对象的特性参数 换热器温度控制系统的开环阶跃响应010203040504550556065%Controller Output01020304050148150152154156158160time, minCentHeat Exchanger Outlet Temp.基于阶跃响应的特性参数计算 010203040504550556065%Controller Output01020304050148150152154156158160time, minCentHeat Exchanger Outlet Temp.63.2% 28.3% T0 T1 T2