过程动态学与控制教学教材

1、过程动态学与控制输入变量输入变量：指那些能够独立激励系统并引起过程内部状态变化：指那些能够独立激励系统并引起过程内部状态变化的那些变量（的那些变量（F、Ti、QA、QF）输出变量输出变量：指那些从中可以得到过程内部信息的变量（：指那些从中可以得到过程内部信息的变量（T）状态变量状态变量：指那些能够用于描述过程内部状态的最少变量集合。：指那些能够用于描述过程内部状态的最少变量集合。这些变量的显现形式是输出。因此，输出变量可以是某一状态这些变量的显现形式是输出。因此，输出变量可以是某一状态变量的测量值，也可以是状态变量某种组合的测量值（变量的测量值，也可以是状态变量某种组合的测量值（T）干扰变量干

2、扰变量：使过程状态和输出偏离期望水平的变量（：使过程状态和输出偏离期望水平的变量（F、Ti、PF、 F） 上述变量均可细分为可测（上述变量均可细分为可测（on-line, off-line）和不可测两类）和不可测两类被控变量被控变量：指那些需要被控制在给定值或给定轨迹的变量（：指那些需要被控制在给定值或给定轨迹的变量（T）操纵变量操纵变量：指那些用来调节被控变量的变量（：指那些用来调节被控变量的变量（QA、QF） 变量变量 参数参数小结（以原油加热炉为例）小结（以原油加热炉为例）开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 闭环控制指输入闭环控制指输入-输出之间通过反馈作用实现闭环。若输出之间通过反馈

3、作用实现闭环。若一个控制系统不利用这一因果（闭环）关系，而仅仅依据某一个控制系统不利用这一因果（闭环）关系，而仅仅依据某种（基于机理）分析判断得出控制规律，就称之为开环控制。种（基于机理）分析判断得出控制规律，就称之为开环控制。典型的开环控制是交通信号灯。它通过事先的调查研究，确典型的开环控制是交通信号灯。它通过事先的调查研究，确定主干道绿长红短的控制规律。若实现闭环定主干道绿长红短的控制规律。若实现闭环智能交通控制，智能交通控制，如何实现？如何实现？调节控制（调节控制（regulatory）与侍服控制（）与侍服控制（servo） Regulatory: 使输出恒定在使输出恒定在sp Serv

4、o: 使输出跟随使输出跟随sp控制系统的物理元件构成：控制系统的物理元件构成： 测量变送测量变送 控制器控制器 执行器执行器 辅助硬件（信号转换器、辅助硬件（信号转换器、AD-DA转换器）转换器） PIDPID控制器及算法控制器及算法 （1 1）比例控制）比例控制 比例系数比例系数KcKc增大，闭环系统的灵敏度增大，闭环系统的灵敏度增加，稳态误差（余差）减小，但系统振荡增强；比增加，稳态误差（余差）减小，但系统振荡增强；比例系数过大会导致闭环系统不稳定。例系数过大会导致闭环系统不稳定。（2 2）积分控制）积分控制 可以消除余差；积分作用太强会导可以消除余差；积分作用太强会导致闭环系统不稳定。致

5、闭环系统不稳定。（3 3）微分控制）微分控制 减小闭环系统超调量、响应时间加快。减小闭环系统超调量、响应时间加快。离散离散PID算法：算法：)()()()(11kkDk”nndIkdctytytTtyyTttyyK-D+-D+-+-= u( tk )=u0 yd tk-1 tk以原油加热炉为例，干扰以原油加热炉为例，干扰导致导致TT*u0 tk-1 tk正作用控制器，气开阀正作用控制器，气开阀上次上次 =0时时的输出的输出瞬态量，至新的瞬态量，至新的 =0时为零时为零当新的当新的 =0到来后到来后 0n以以u0所处所处时刻为起点时刻为起点 (k)= (k) - (k-1)典型球阀示意图典型球阀

6、示意图Air(气关气关) Air(气开气开)气关阀气关阀流量测量通常采用节流装置，流量测量通常采用节流装置，包括孔板（包括孔板（Orifice plate）、喷嘴）、喷嘴(Nozzle)、文丘里管（、文丘里管（Venturi tube），其共同特点是通过，其共同特点是通过差压差压测取流量。测取流量。p2p1孔板直经孔板直经: d管道内径管道内径: D关于流量与压差的关系，根据关于流量与压差的关系，根据ASME (2001)可知：可知： 质量流量质量流量 Gm= At（2 D Dp）1/2其中，其中， 为流体高压区的密度（为流体高压区的密度（kg/m3或或g/l）；）； D Dp 为流体为流体流

7、经节流装置形成的压差；流经节流装置形成的压差；At 为节流面积；为节流面积； 为流体体积为流体体积膨胀系数，对不可压缩的液体或膨胀系数，对不可压缩的液体或D Dp 不大的气体，不大的气体， =1，但，但当气体当气体D Dp 较大时，较大时， 1 ； 为流量系数，取值与为流量系数，取值与At , d/D及及流体的流动状态流体的流动状态(Re)有关。有关。对理想状态下的气体，高压区有对理想状态下的气体，高压区有p1V=nRT, 即有即有 =p1 M/ (RT), 因此，质量流量可以表述为：因此，质量流量可以表述为：Gm= At（2 D Dp）1/2= At2M/(RT) 1/2(p1 D Dp)1/2这与书中这与书中pp30表述的表述的 Gm=KKv(D Dp p )1/2显然是等价的。显然是等价的。另一方面，体积流量另一方面，体积流量Gv与与Gm的关系是的关