冶金过程控制基础及应用第二章

1、第二章第二章 过程装备控制基础过程装备控制基础| 简单过程控制系统的设计。简单过程控制系统的设计。| 工业常用复杂控制系统的结构、工业常用复杂控制系统的结构、特点及应用。特点及应用。 它们中的多数系统仍只有一个它们中的多数系统仍只有一个( (或一个主要的或一个主要的) )被控变量，仍被控变量，仍参照简单控制系统的基本原理参照简单控制系统的基本原理来分析和设计，仍是经典控制来分析和设计，仍是经典控制理论发展的产物。理论发展的产物。|对被控对象作全面了解。对被控对象作全面了解。|解决控制方案和调节器参数的解决控制方案和调节器参数的整定。整定。|系统投运。系统投运。| 控制系统控制质量的优劣控制系统

2、控制质量的优劣过程控制中最重要的问题，取过程控制中最重要的问题，取决于决于自动控制系统的结构自动控制系统的结构及其及其各个环节的特性各个环节的特性。| 被控对象的特性被控对象的特性由由生产工生产工艺过程艺过程和和工艺设备工艺设备决定，在控决定，在控制系统的设计中无法改变。只制系统的设计中无法改变。只有深刻了解被控对象的特性，有深刻了解被控对象的特性，才能得到良好的控制质量。才能得到良好的控制质量。|被控对象的特性：被控对象的特性：是指当被控对是指当被控对象的输入变量发生变化时，其输象的输入变量发生变化时，其输出变量随时间的变化规律出变量随时间的变化规律( (包括变包括变化的大小、速度等化的大小

3、、速度等) )。通常所讲的。通常所讲的对象特性是对象特性是指控制通道的对象特指控制通道的对象特性性。 对一个被控对象来说，其输对一个被控对象来说，其输出变量就是控制系统的被控变量，出变量就是控制系统的被控变量，而其输入变量则是控制系统的操而其输入变量则是控制系统的操纵变量和干扰作用。纵变量和干扰作用。|通道：通道：被控对象输入变量与输被控对象输入变量与输出变量之间的联系。出变量之间的联系。|控制通道：控制通道：操纵变量与被控变操纵变量与被控变量之间的联系。量之间的联系。|干扰通道：干扰通道：干扰作用与被控变干扰作用与被控变量之间的联系。量之间的联系。| 以工业过程中最简单的以工业过程中最简单的

4、水槽液水槽液位对象位对象为例分析推导。为例分析推导。 在连续生产过程中，最基在连续生产过程中，最基本的关系是物料平衡和能量本的关系是物料平衡和能量平衡。平衡。 在静态条件在静态条件下，单位时间流入下，单位时间流入对象的物料对象的物料( (或能量或能量) )等于从系统中等于从系统中流出的物料流出的物料( (或能量或能量) )；在；在动态条件动态条件下，单位时间流入对象的物料下，单位时间流入对象的物料( (或或能量能量) )与单位时间从系统中流出的与单位时间从系统中流出的物料物料( (或能量或能量) )之差等于系统内物料之差等于系统内物料( (或能量或能量) )贮存量的变化率。贮存量的变化率。 被

5、控对象的数学描述就是由这被控对象的数学描述就是由这两种关系推导出来的微分方程式。两种关系推导出来的微分方程式。水槽液位对象水槽液位对象：（1 1）单容液位对象）单容液位对象l有自衡特性的单容对象有自衡特性的单容对象l无自衡特性的单容对象无自衡特性的单容对象（2 2）双容液位对象）双容液位对象图图2-1 2-1 有自衡单容液位对象有自衡单容液位对象H H：液位，输出变量：液位，输出变量qv1qv1，qv2qv2：体积流量：体积流量R Rs s1 1，R Rs s2 2：阀门：阀门 显然，在任何时刻水位的变化均显然，在任何时刻水位的变化均满足下面的物料平衡关系：满足下面的物料平衡关系： （2-12

6、-1） V水槽内液体的贮存量水槽内液体的贮存量(液体体积液体体积)； t时间；时间； dV/dt贮存量的变化率。贮存量的变化率。 设水槽的横截面积为设水槽的横截面积为A，是一，是一个常数，则因为个常数，则因为 （2-2） 所以所以 （2-3） 静态情况时：静态情况时： dV/dt = 0dV/dt = 0 qv1 = qv2 qv1 = qv2qv1qv1变化变化 液位液位H H变化变化 水槽出水槽出口处静压液变化口处静压液变化 qv2 qv2变化。变化。 假设假设qv1qv1变化量很小，可近似变化量很小，可近似认为流出量取认为流出量取qv2qv2与液位与液位H H成正比关成正比关系，与出水阀

7、的水阻系，与出水阀的水阻R Rs s成反比关系，成反比关系，即即(2-4)(2-4) 在讨论被控对象的特性时，所在讨论被控对象的特性时，所研究的是未受任何人为控制的被控研究的是未受任何人为控制的被控对象，因而出水阀的开度不变，阻对象，因而出水阀的开度不变，阻力力R Rs s为常数。为常数。 将式将式(2-2)(2-2)和式和式(2-3)(2-3)代入式代入式(2-1)(2-1)，整理得，整理得(2-5)(2-5) 令令T=ART=ARs s，K=RK=Rs s，代入，代入(2-5)(2-5)，得，得(2-6)(2-6) 式式(2-6)(2-6)是用来描述单容水槽是用来描述单容水槽被控对象的微分

8、方程式，它是一个被控对象的微分方程式，它是一个一阶常系数微分方程式一阶常系数微分方程式。因此，通。因此，通常将这样的被控对象叫做常将这样的被控对象叫做一阶被控一阶被控对象对象。式。式(2-6)(2-6)中的中的T T称为称为时间常数时间常数，K K称为被控对象的称为被控对象的放大系数放大系数，它们，它们反映了被控对象的特性反映了被控对象的特性( (将在下一将在下一节中详述节中详述) )。 图图2-l2-l所示的水槽液位被控对所示的水槽液位被控对象象, ,在初始平衡状态时，流入水槽在初始平衡状态时，流入水槽的流量的流量qv1qv1等于流出水槽的流量等于流出水槽的流量qv2qv2，因此，液位稳定在

9、某一数值因此，液位稳定在某一数值H H0 0上，上，处于平衡状态。在处于平衡状态。在t t0 0时刻，若流人时刻，若流人量量qv1qv1突然有一阶跃变化量突然有一阶跃变化量 qv1qv1，则可由式则可由式(2-5)(2-5)求出相应的液体变求出相应的液体变化量化量(2-7)(2-7) 根据式根据式(2-7)(2-7)画出图画出图2-l2-l水槽水槽液位被控对象在阶跃输入作用下液位被控对象在阶跃输入作用下的特性曲线如图的特性曲线如图2-22-2所示。所示。0/1 1t tTHKqve 图图2-2 2-2 单容自衡特性曲线单容自衡特性曲线 从图从图(2-2)(2-2)曲线可以看出，在曲线可以看出，

10、在初始阶段，由于初始阶段，由于qv1qv1突然增加而流突然增加而流出量出量qv2qv2还没有变化，因此液位还没有变化，因此液位H H上上升速度很快；随着液位的上升，水升速度很快；随着液位的上升，水槽出口处的静压增大，因此槽出口处的静压增大，因此qv2qv2随随之增加，之增加，qv1qv1与与qv2qv2之间的差值就越之间的差值就越来越小，液位来越小，液位H H的上升速度就越来的上升速度就越来越慢。越慢。(2-8)(2-8) K K为常数，若为常数，若 qv1qv1为常数，为常数，液位又液位又重新回到平衡状态，此时重新回到平衡状态，此时qv1 = qv2qv1 = qv2 这就是这就是被控对象的

11、自衡特性被控对象的自衡特性。 由式由式(2-7)(2-7)和图和图2-22-2可以看出，可以看出，当当t t时时 定义：定义：被控对象的自衡特性输入被控对象的自衡特性输入变量发生变化破坏了被控对象的平变量发生变化破坏了被控对象的平衡而引起输出变量变化时，在没有衡而引起输出变量变化时，在没有人为干预的情况下，被控对象自身人为干预的情况下，被控对象自身能重新恢复平衡的特性。能重新恢复平衡的特性。 自衡持性有利于控制，在某些自衡持性有利于控制，在某些情况下，使用简单的控制系统就能情况下，使用简单的控制系统就能得到良好的控制质量，甚至有时可得到良好的控制质量，甚至有时可以不用设置控制系统。以不用设置控

12、制系统。图图2-3 2-3 无自衡单容液位对象无自衡单容液位对象 在此类被控对象中，泵的出口在此类被控对象中，泵的出口流量流量qv2qv2不随液位变化而变化，因不随液位变化而变化，因此对象的动态方程记为此对象的动态方程记为(2-9)(2-9) 在在t t0 0时刻之前，被控对象处于时刻之前，被控对象处于平衡状态，平衡状态，qv1 = qv2qv1 = qv2。假定在。假定在t t0 0时刻，水槽的流入量突然有一个阶时刻，水槽的流入量突然有一个阶跃变化跃变化 qv1qv1，由式，由式(2-9)(2-9)可得可得(2-10)(2-10) 由于水槽的流出量不变，所以由于水槽的流出量不变，所以当流入量

13、突然增加当流入量突然增加 qv1时，液位时，液位H将随时间将随时间t的推移恒速上升，不会的推移恒速上升，不会重新稳定下来，直至水槽顶部溢出，重新稳定下来，直至水槽顶部溢出，这就是这就是无自衡特性无自衡特性。 无自衡特性的被控对象在受到无自衡特性的被控对象在受到扰动作用后不能重新恢复平衡，因扰动作用后不能重新恢复平衡，因此控制要求较高。对这类被控对象此控制要求较高。对这类被控对象除必须施加除必须施加控制控制外，还常常设有外，还常常设有自自动报警系统动报警系统。图图2-5 2-5 双容液位对象（双容液位对象（ 式式(2-11)(2-11)与式与式(2-12)(2-12)相加得相加得(2-13)(2

14、-13) 同理，在同理，在qv2qv2、qv3qv3变化量极变化量极小时，水流出量与液位的关系近小时，水流出量与液位的关系近似为似为(2-14)(2-14)(2-15)(2-15) 将式将式(2-14)(2-14)和式和式(2-15)(2-15)代入代入式式(2-12)(2-12)并求微分后，经整理得并求微分后，经整理得(2-16)(2-16) 再将式再将式(2-15)(2-15)和式和式(2-16)(2-16)代入式代入式(2-13)(2-13)，经整理得，经整理得(2-17)(2-17) A A1 1、A A2 2分别为水槽分别为水槽1 1、2 2的横截面积；的横截面积； R Rs1s1、

15、R Rs2s2分别为水槽分别为水槽1 1、2 2的出水阀的出水阀阻力系数。阻力系数。 令令 则则(2-18)(2-18) 式式(2-18)(2-18)就是描述图就是描述图2-52-5所示所示双容水槽被控对象的二阶微分方双容水槽被控对象的二阶微分方程式。通常，这样的被控对象叫程式。通常，这样的被控对象叫做做二阶被控对象二阶被控对象。式中的。式中的T Tl l为水槽为水槽1 1的时间常数，的时间常数， T T2 2为水槽为水槽2 2的时间的时间常数，常数，K K为被控对象的放大倍数。为被控对象的放大倍数。图图2-62-6显示了双容水槽在阶跃输入显示了双容水槽在阶跃输入作用下的响应曲线。作用下的响应

16、曲线。图图2-6 2-6 二阶对象特性曲线二阶对象特性曲线 以上是液位被控对象的数学以上是液位被控对象的数学描述形式的推导，即数学模型的描述形式的推导，即数学模型的建立。对于其他类型比较简单的建立。对于其他类型比较简单的被控对象，如被控对象，如压力罐的压力被控压力罐的压力被控对象对象、热交换器的温度被控对象热交换器的温度被控对象等等，都可用该方法建立其数学等等，都可用该方法建立其数学模型。对于复杂的被控对象，直模型。对于复杂的被控对象，直 接用数学方法建立模型比较因难。接用数学方法建立模型比较因难。 数学模型除了用数学模型除了用方程式方程式表示表示外，还可以用外，还可以用图形图形、表格表格等形

17、式等形式来表示。来表示。-20246810121416-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.0 E / VpHHV2O5-V2O4V2O3VO43-HVO42-VO+2 VO2+V3+V2+V2O5VO12347911121314V56131324131321131315131316131322131318131319131320AB1013178TiOTiO2Ti Ti2O3Ti3+Ti2+1313261313251313281313301313341313321313271313311313330204060801004000500060007000800090001

18、0000110001200013000 (Mn,Fe)(Cr,V)2O4 SiO2 TiO2 Fe2.5Ti0.5O4 Fe2O3CountsPosition。2Theta4#3#2# 1#不同反应温度下物相不同反应温度下物相102030405060708090050001000015000200002500030000 2 ThetaIntensity (Counts)(001)(104)硅饱和系数硅饱和系数x混合情况混合情况时间（时间（s）30105090130200400600 由于其表观活化能为由于其表观活化能为11.84kJ/mol，表观反应级数表观反应级数0.92133。lgk与与

19、1000/T关系图关系图2(0.06261)0.00491 0.0008843exp0.001395rk反应速率常数与各因素的关系：反应速率常数与各因素的关系：钒渣粒度钒渣粒度反应温度反应温度31lg0.61839 100.64215kT 搅拌转速搅拌转速ln0.30459ln7.09105kR氧气分压氧气分压0ln0.92133ln9.95326kC 描述被控对象特性的参数描述被控对象特性的参数有有放大系数放大系数K K、时间常数时间常数T T、滞滞后时间后时间 。| 放大系数放大系数 式式(2-6)(2-6)以及式以及式(2-18)(2-18)中的中的K K就是对象的放大系数，又称就是对象

20、的放大系数，又称静静态增益态增益，是被控对象重新达到，是被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比。入变化量之比。 如图如图2-22-2所示，水槽液位在阶跃干所示，水槽液位在阶跃干扰作用下产生变化，当它重新达扰作用下产生变化，当它重新达到平衡状态时，液位到平衡状态时，液位H H稳定在一个稳定在一个新的数值上。此时，输出变化量新的数值上。此时，输出变化量 H H与输入变化量与输入变化量 qvqv有式有式(2-8)(2-8)所所示的对应关系。示的对应关系。 由上述结果可归纳出有关放由上述结果可归纳出有关放大系数的几个大系数的几个一般性结论一般性结论。1)1)

21、放大系数放大系数K K表达了被控对象在干表达了被控对象在干扰作用下重新达到平衡状态的性扰作用下重新达到平衡状态的性能，是不随时间变化的参数。所能，是不随时间变化的参数。所以以K K是被控对象的静态特性参数。是被控对象的静态特性参数。| 在相同的输入变化量作用下，被在相同的输入变化量作用下，被控对象的控对象的K K越大，输出变化量就越大，输出变化量就越大，即输入对输出的影响越大，越大，即输入对输出的影响越大，被控对象的自身稳定性越差；反被控对象的自身稳定性越差；反之，之，K K越小，被控对象的稳定性越小，被控对象的稳定性越好。越好。线性对象线性对象：K K在任何输入变化情况在任何输入变化情况下都

22、是常数的被控对象。下都是常数的被控对象。非线性对象非线性对象：输入不同的变化量其：输入不同的变化量其放大系数不为常数的被控对象。放大系数不为常数的被控对象。非线性对象是比较难控制的。非线性对象是比较难控制的。 处于不同通道的放大系数处于不同通道的放大系数K K对对控制质量的影响是不一样的。对控控制质量的影响是不一样的。对控制通道而言，如果制通道而言，如果K K值大，则即使值大，则即使调节器的输出变化不大，对被控变调节器的输出变化不大，对被控变量的影响也会很大，控制很灵敏。量的影响也会很大，控制很灵敏。对于这种对象其控制作用的变化应对于这种对象其控制作用的变化应相应地和缓一些，否则被控变量波相应

23、地和缓一些，否则被控变量波动较大，不易稳定。动较大，不易稳定。 反之，反之，K K小，会使被控变量变化迟小，会使被控变量变化迟缓。对干扰通道而言，如果缓。对干扰通道而言，如果K K较小，较小，即使干扰幅度很大，也不会对被控即使干扰幅度很大，也不会对被控变量产生很大的影响。若变量产生很大的影响。若K K很大，很大，则当干扰幅度较大而又频繁出现时，则当干扰幅度较大而又频繁出现时，系统就很难稳定，除非设法排除于系统就很难稳定，除非设法排除于扰或者采用较为复杂的控制系统，扰或者采用较为复杂的控制系统，否则很难保证控制质量。否则很难保证控制质量。| 时间常数时间常数 式式(2-6)(2-6)以及式以及式

24、(2-18)(2-18)中的中的T T、T T1 1、T T2 2都叫做时间常数，它反映都叫做时间常数，它反映被控对象受到输入作用后，输被控对象受到输入作用后，输出变量达到新稳态值的快慢，出变量达到新稳态值的快慢，它决定了整个动态过程的长短。它决定了整个动态过程的长短。因此，它是被控对象的动态特因此，它是被控对象的动态特性参数。性参数。 图图2-72-7显示了不同时间常数下显示了不同时间常数下单容对象的响应曲线。随着时间常单容对象的响应曲线。随着时间常数数T T的增加，输出量到达新稳态值的的增加，输出量到达新稳态值的时间也变长。时间也变长。 处于不同通道的时间常数对控处于不同通道的时间常数对控

25、制系统的影响不一样。制系统的影响不一样。 对于控制通道对于控制通道，若时间常数，若时间常数T T大，大，则被控变量的变化较缓和，一般来讲，则被控变量的变化较缓和，一般来讲，这种对象比较稳定这种对象比较稳定，容易控制容易控制，但缺，但缺点是点是控制过于缓慢控制过于缓慢；若时间常数；若时间常数T T小，小，则则被控变量的变化速度快被控变量的变化速度快，不易控制不易控制。因此，时间常数太大或太小，对过程因此，时间常数太大或太小，对过程控制都不利。控制都不利。 而而对于干扰通道对于干扰通道，时间常，时间常数大则有明显的好处，此时数大则有明显的好处，此时阶跃阶跃干扰对系统的影响会变得比较缓干扰对系统的影

26、响会变得比较缓和和，被控变量的变化平稳被控变量的变化平稳，对象，对象容易控制容易控制。| 滞后时间滞后时间 有不少化工对象，在受到有不少化工对象，在受到输入变量的作用后，其被控变输入变量的作用后，其被控变量并不立即发生变化，而是过量并不立即发生变化，而是过一段时间才发生变化，这种现一段时间才发生变化，这种现象称为象称为滞后现象滞后现象；滞后时间滞后时间是是描述对象滞后现象的动态参数。描述对象滞后现象的动态参数。 根据滞后性质的不同，滞根据滞后性质的不同，滞后时间可分为两种：后时间可分为两种： 1) 1) 传递滞后传递滞后 2) 2) 容量滞后容量滞后 1) 1) 传递滞后传递滞后 0 0 又叫

27、又叫纯滞后纯滞后，是由于，是由于信号信号的传输的传输、介质的输送介质的输送或或热的传热的传递递要经过一段时间而产生的，要经过一段时间而产生的，常用常用 0 0来表示。如图来表示。如图2-8(a)2-8(a)所所示的溶解槽。示的溶解槽。图图2-8(a) 2-8(a) 溶解槽溶解槽 图图2-8(a)2-8(a)中，料斗中的固体用中，料斗中的固体用皮带输送机送至溶解槽。在料斗加皮带输送机送至溶解槽。在料斗加大送料量后大送料量后( (即阶跃输入即阶跃输入) )，固体溶，固体溶质需等输送机将其送到加料口并落质需等输送机将其送到加料口并落入槽中后，才会影响溶解槽内溶液入槽中后，才会影响溶解槽内溶液的浓度。

28、若以料斗的加料量作为对的浓度。若以料斗的加料量作为对象的输入，以溶液浓度作为对象的象的输入，以溶液浓度作为对象的输出，则其响应曲线如图输出，则其响应曲线如图2-8(b)2-8(b)。图图2-8(b) 2-8(b) 溶解槽的阶跃响应曲线溶解槽的阶跃响应曲线 显然纯滞后显然纯滞后 0 0与皮带输送与皮带输送机传送速度机传送速度u u和传递距离和传递距离L L有如有如下关系下关系(2-19)(2-19) 2) 2) 容量滞后容量滞后 c c 一般是由于物料或能量的传递一般是由于物料或能量的传递过程中受到一定的阻力而引起的，过程中受到一定的阻力而引起的，或者说是由于容量数目多而产生的。或者说是由于容量

29、数目多而产生的。一般用容量滞后时间一般用容量滞后时间 c c来表征其滞来表征其滞后的程度，其主要特征是当输入阶后的程度，其主要特征是当输入阶跃作用后，被控对象的输出变量开跃作用后，被控对象的输出变量开始变化很慢，然后逐渐加快，接着始变化很慢，然后逐渐加快，接着又变慢，直至逐渐接近稳定值。又变慢，直至逐渐接近稳定值。 如图如图2-52-5所示的双容液位对象，所示的双容液位对象，从其响应曲线图从其响应曲线图2-62-6可以看出上述可以看出上述变化趋势。容量滞后时间变化趋势。容量滞后时间 c c就是在就是在响应曲线的拐点处作切线，切线与响应曲线的拐点处作切线，切线与时间轴的交点与被控变量开始变化时间

30、轴的交点与被控变量开始变化的起点之间的时间间隔就是容量滞的起点之间的时间间隔就是容量滞后时间后时间 c c 。 从原理上讲，传递滞后和容量从原理上讲，传递滞后和容量滞后的本质是不向的，但实际上很滞后的本质是不向的，但实际上很难严格区分。当两者同时存在时，难严格区分。当两者同时存在时，通常把这两种滞后时间加在一起，通常把这两种滞后时间加在一起，统称为统称为滞后时间滞后时间，用，用 来表示，即来表示，即 = = 0 0 + + c c 在控制系统中，滞后的影响与在控制系统中，滞后的影响与其所在的通道有关。对控制通道来其所在的通道有关。对控制通道来讲，滞后的存在不利于控制。例如，讲，滞后的存在不利于

31、控制。例如，调节间距对象较远，控制作用的效调节间距对象较远，控制作用的效果要隔一段时间才能显现出来，这果要隔一段时间才能显现出来，这将使控制不够及时，在干扰出现后将使控制不够及时，在干扰出现后不能迅速调节，严重影响控制质量；不能迅速调节，严重影响控制质量； 对于干扰通道，对于干扰通道，纯滞后只是推迟纯滞后只是推迟了干扰作用的时间，因此对控制了干扰作用的时间，因此对控制质量没有影响；而容量滞后则可质量没有影响；而容量滞后则可以缓和干扰对被控变量的影响，以缓和干扰对被控变量的影响，因而对控制系统是有利的。因而对控制系统是有利的。 对象特性的求取方法通常有对象特性的求取方法通常有两种：两种： 1)

32、1) 数学方法数学方法 2) 2) 实验测定法实验测定法数学方法：数学方法：从工艺过程的变化从工艺过程的变化机理出发，写出各种有关的平机理出发，写出各种有关的平衡方程衡方程( (如物料平衡方程、能量如物料平衡方程、能量平衡方程等平衡方程等) )，进而推导出被控，进而推导出被控对象的数学模型，得出其特性对象的数学模型，得出其特性参数，再结合实际进行理论分参数，再结合实际进行理论分析。析。| 实验测定法实验测定法：是通过对被控对：是通过对被控对象的实验测试求出其特性参数。象的实验测试求出其特性参数。 在工程上常常用在工程上常常用实验方法实验方法测定对象的动态特性，原因有测定对象的动态特性，原因有三

33、：三： 对象的动态特性虽可运用流动、对象的动态特性虽可运用流动、蒸发、化学反应、传热、吸收蒸发、化学反应、传热、吸收等物理化学基础理论来推导求等物理化学基础理论来推导求解，但由于具体对象的物理化解，但由于具体对象的物理化学过程是复杂的，在数学推导学过程是复杂的，在数学推导过程中必须作许多假设和简化，过程中必须作许多假设和简化，推导的结果尚需实验测试来验推导的结果尚需实验测试来验证；证； 实际工业对象的机理很复杂，实际工业对象的机理很复杂，有时甚至很难用数学方法推导，有时甚至很难用数学方法推导，这时只能用实验方法来测定；这时只能用实验方法来测定； 有许多被控对象的特性在运行有许多被控对象的特性在

34、运行过程中会随工况变化而改变，过程中会随工况变化而改变，或随其他因素而改变，为了提或随其他因素而改变，为了提高控制系统的品质，有时需要高控制系统的品质，有时需要采用自整定控制或自适应控制，采用自整定控制或自适应控制，这种系统就非得在运行过程中这种系统就非得在运行过程中用实验方法测定对象的动态特用实验方法测定对象的动态特性不可。性不可。 被控对象的实验测定法被控对象的实验测定法，就，就是给所要研究的对象人为地输入是给所要研究的对象人为地输入一个扰动信号，然后测取被控对一个扰动信号，然后测取被控对象输出变量随时间的变化规律，象输出变量随时间的变化规律，得出一系列的实验数据或曲线，得出一系列的实验数

35、据或曲线，这些数据和曲线就表征了一定的这些数据和曲线就表征了一定的被控对象特性。被控对象特性。 被控对象的实验测定方法有多被控对象的实验测定方法有多种，它们种，它们主要区别于所加入的输入主要区别于所加入的输入变量的信号形式变量的信号形式。下面介绍两种常。下面介绍两种常用的方法。用的方法。 1) 1) 响应曲线法响应曲线法 2) 2) 脉冲响应法脉冲响应法响应曲线法：响应曲线法：是用实验的方法是用实验的方法测定对象在阶跃输入作用下，测定对象在阶跃输入作用下，其输出量随时间的变化规律。其输出量随时间的变化规律。例如要测定图例如要测定图2-l2-l所示的单容水所示的单容水槽液位对象的动态特性，具体槽

36、液位对象的动态特性，具体做法是：假定在时间做法是：假定在时间t=tt=t0 0前，前，对象处于稳定状态，流入水槽对象处于稳定状态，流入水槽 的流量等于流出水槽的流量，即的流量等于流出水槽的流量，即qv1=qv2=qv0qv1=qv2=qv0，液位，液位H H保持不变；在保持不变；在t t0 0时刻，突然开大进水闻时刻，突然开大进水闻l l，使对，使对象的输入量象的输入量qv1qv1增加增加 qv1qv1并一直保并一直保持不变，即加入一阶跃输入；测出持不变，即加入一阶跃输入；测出对象输出量对象输出量H H从从t t0 0时刻起随时间时刻起随时间t t的的变化规律，就得到水槽液位对象的变化规律，就

37、得到水槽液位对象的特性曲线，如图特性曲线，如图2-92-9所示。所示。图图2-9 2-9 响应曲线法响应曲线法 将测得的反应曲线转化成近将测得的反应曲线转化成近似的数学表达式有三个步骤。似的数学表达式有三个步骤。 求纯滞后时间求纯滞后时间：从：从t t0 0时刻起到时刻起到输出开始变化的这段时间，即输输出开始变化的这段时间，即输入变化而输出不发生变化的这段入变化而输出不发生变化的这段时间为纯滞后时间。时间为纯滞后时间。 求静态放大倍数求静态放大倍数：(2-20)(2-20) 求时间常数求时间常数T T：在反应曲线上找：在反应曲线上找到输出量变化至终值到输出量变化至终值63.263.2时的坐时的

38、坐标点，它所对应的时刻与输出量开标点，它所对应的时刻与输出量开始变化时的时刻之差就是时间常数始变化时的时刻之差就是时间常数T T。 响应曲线法是一种比较简单的响应曲线法是一种比较简单的对象特性实验测定方法，但由于实对象特性实验测定方法，但由于实际生产过程中的干扰因素较多，而际生产过程中的干扰因素较多，而且一般不允许输入量变化太大，通且一般不允许输入量变化太大，通常为额定值的常为额定值的5 5-10-10，因此这种，因此这种方法的方法的精度较差精度较差。脉冲响应法：脉冲响应法：是用实验的方法是用实验的方法测取对象在矩形脉冲输入信号测取对象在矩形脉冲输入信号作用下，其输出量随时间的变作用下，其输出

39、量随时间的变化规律。当对象处于稳定工况化规律。当对象处于稳定工况下，在时刻下，在时刻t t0 0突然加入一阶跃输突然加入一阶跃输入量，作用一段时间后，在入量，作用一段时间后，在t t1 1时时刻再突然撤除该阶跃信号，测刻再突然撤除该阶跃信号，测 出输出量从出输出量从t t0 0时刻起随时间的变化时刻起随时间的变化规律，如图规律，如图2-102-10所示。所示。图图2-10 2-10 脉冲响应法脉冲响应法 矩形脉冲响应曲线与阶跃响应矩形脉冲响应曲线与阶跃响应曲线有着密切的关系。可以将矩形曲线有着密切的关系。可以将矩形脉冲看作是脉冲看作是t t0 0时刻的正向阶跃信号时刻的正向阶跃信号x x0 0

40、与与t t1 1时刻的反向阶跃信号时刻的反向阶跃信号-x-x0 0的组的组合信号，那么其响应曲线也就是这合信号，那么其响应曲线也就是这两条阶跃响应曲线的合成曲线，即两条阶跃响应曲线的合成曲线，即 y(t)=y y(t)=yl l(t)-y(t)-yl l(t-(t- t t) )，其中，其中 t t=t=t1 1-t-t0 0。根据这个关系，可以。根据这个关系，可以很容易地得到完整的脉冲响应曲很容易地得到完整的脉冲响应曲线，从而求得对象的特性参数。线，从而求得对象的特性参数。 用矩形脉冲干扰来测取对象特用矩形脉冲干扰来测取对象特性时，由于加在对象上的干扰经过性时，由于加在对象上的干扰经过一段时

41、间即被除去，因此一段时间即被除去，因此干扰的幅干扰的幅度可取的较大度可取的较大，以，以提高实验的精度提高实验的精度；同时，对象输出量又不至于长时间同时，对象输出量又不至于长时间地偏离给定值，因而对正常生产影地偏离给定值，因而对正常生产影响较小。所以，这种方法是测定对响较小。所以，这种方法是测定对象特性常用的方法之一。象特性常用的方法之一。 除上述方法外，还可采用不同除上述方法外，还可采用不同频率的正弦波和矩形波信号作为对频率的正弦波和矩形波信号作为对象的输人信号来测取对象的动态特象的输人信号来测取对象的动态特性，即性，即频域方法频域方法；或直接利用对象；或直接利用对象正常运行状态下的数据或对象

42、在特正常运行状态下的数据或对象在特殊信号殊信号( (如伪随机倍导如伪随机倍导) )作用下的响作用下的响应数据进行分析统计获得对象的动应数据进行分析统计获得对象的动态特性，即态特性，即统计方法统计方法。 单回路控制系统单回路控制系统：又称：又称简单控制系统简单控制系统，是，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统，一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统，其方框图如图其方框图如图1-21-2所示。所示。 简单回路控制系统简单回路控制系统结构结构简单简单、易于分析设计易于分析设计，投资投资少少、便于施工便于施工，并，并能

43、满足一能满足一般生产过程的控制要求般生产过程的控制要求，因，因此，在生产过程中得到广泛此，在生产过程中得到广泛应用。应用。| 首先应对被控对象做全面的了首先应对被控对象做全面的了解，包括其动静态特性；解，包括其动静态特性；| 对工艺过程、设备等进行深入对工艺过程、设备等进行深入了解；了解；| 确定正确的控制方案，包括合确定正确的控制方案，包括合理地选择被控变量与操纵变量，理地选择被控变量与操纵变量，选择合适的检测变送元件及检选择合适的检测变送元件及检测位置，选用恰当的执行器、测位置，选用恰当的执行器、调节器以及调节器控制规律等；调节器以及调节器控制规律等；| 将调节器的参数整定到最佳值。将调节

44、器的参数整定到最佳值。(1) (1) 被控变量的选择被控变量的选择 被控变量是生产过程中希望保持被控变量是生产过程中希望保持在定值的过程参数。在定值的过程参数。 影响一个生产过程正常操作的因影响一个生产过程正常操作的因素很多，但并非所有的影响因素素很多，但并非所有的影响因素都要进行控制，而且也不可能都都要进行控制，而且也不可能都加以控制。加以控制。 作为被控变量，它应是对提高产作为被控变量，它应是对提高产品质量和产量、促进安全生产、品质量和产量、促进安全生产、提高劳动生产率、节能等具有决提高劳动生产率、节能等具有决定作用的工艺变量。定作用的工艺变量。 因此，需要在了解工艺过程、控因此，需要在了

45、解工艺过程、控制要求的基础上，分析各变量间制要求的基础上，分析各变量间的关系，合理选择被控变量。的关系，合理选择被控变量。选择被控变量的基本原则选择被控变量的基本原则：| 作为被控变量，其信号最好能作为被控变量，其信号最好能够直接测量获得，并且测量和够直接测量获得，并且测量和变送环节的滞后也要比较小。变送环节的滞后也要比较小。1)1) 若被控变量信号无法直接获取，若被控变量信号无法直接获取，可选择与之有单值函数关系的可选择与之有单值函数关系的间接参数作为被控变量。间接参数作为被控变量。| 作为被控变量，必须是独立变作为被控变量，必须是独立变量。变量的数目一般可以用物量。变量的数目一般可以用物理

46、化学中的相律关系来确定。理化学中的相律关系来确定。| 作为被控变量，必须考虑工艺作为被控变量，必须考虑工艺合理性，以及目前仪表的现状合理性，以及目前仪表的现状能否满足要求。能否满足要求。 综上所述，合理选择被控变量综上所述，合理选择被控变量是单回路控制系统设计的第一步，是单回路控制系统设计的第一步，同时也是关系到控制方案成败的关同时也是关系到控制方案成败的关键。如果被控变量选择不当，则不键。如果被控变量选择不当，则不管组成什么形式的控制系统，也不管组成什么形式的控制系统，也不管配备多么精良的自动化设备，都管配备多么精良的自动化设备，都不能达到预期的控制效果。不能达到预期的控制效果。 (2) (

47、2) 操纵变量的选择操纵变量的选择 在控制系统中，用来克服干在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，控制作用的扰对被控变量的影响，控制作用的变量就是操纵变量。在化工和炼油变量就是操纵变量。在化工和炼油生产过程中，最常见的操纵变量是生产过程中，最常见的操纵变量是流量流量，也有，也有电压电压、转速转速等。等。 如图如图2-112-11所示的换热器，已所示的换热器，已知被控变量是被加热介质的温度，知被控变量是被加热介质的温度，那么，是选择载热体流量作为操纵那么，是选择载热体流量作为操纵变量，还是选择被加热介质的流量变量，还是选择被加热介质的流量作为操纵变量呢？这主要应从作为操纵变量呢？这主要应从

48、工艺工艺合理性合理性以及以及被控对象的特性被控对象的特性方面考方面考虑。虑。图图2-11 2-11 换热器示意图换热器示意图考虑工艺合理性考虑工艺合理性：对于图：对于图2-ll2-ll所示所示的换热器，无论哪一个流量发的换热器，无论哪一个流量发生变化，都会使被控变量生变化，都会使被控变量( (温度温度) )发生变化。从工艺合理性考虑，发生变化。从工艺合理性考虑，应选择应选择载热体流量作为操纵变载热体流量作为操纵变量量。 因为，被加热介质一般为生产过程因为，被加热介质一般为生产过程中需要使用的物料，用它的变化来中需要使用的物料，用它的变化来克服干扰因素的影响，达到温度控克服干扰因素的影响，达到温

49、度控制的目的，势必会影响生产工艺过制的目的，势必会影响生产工艺过程中的负荷，甚至影响正常的生产。程中的负荷，甚至影响正常的生产。而载热体是用来加热介质的，它不而载热体是用来加热介质的，它不直接影响生产所需物料量。直接影响生产所需物料量。 图图2-122-12所示为某物料浓度的所示为某物料浓度的控制系统。应选择控制系统。应选择稀释水流量稀释水流量作为作为操纵变量，而应尽量操纵变量，而应尽量避免避免选用主物选用主物料流量作为操纵变量。料流量作为操纵变量。图图2-12 2-12 浓度控制系统浓度控制系统考虑被控对象特性考虑被控对象特性：操纵变量选择：操纵变量选择的一般原则为：的一般原则为：(1)(1

50、) 使被控对象控制通道的放大系使被控对象控制通道的放大系数较大，时间常数较小，纯滞后数较大，时间常数较小，纯滞后时间越小越好；时间越小越好；(2)(2) 使被控对象干扰通道的放大系使被控对象干扰通道的放大系数尽可能小，时间常数越大越好。数尽可能小，时间常数越大越好。2-13 2-13 炼油和化工生产中最常见的炼油和化工生产中最常见的精馏过程示意图精馏过程示意图 根据工艺需要，选择提馏段某根据工艺需要，选择提馏段某板板( (一般为温度变化最灵敏的板一般为温度变化最灵敏的板灵敏板灵敏板) )的温度作为被控变量，的温度作为被控变量，那么，控制系统的任务就是维持灵那么，控制系统的任务就是维持灵敏板温度

51、的恒定，使塔底产品的成敏板温度的恒定，使塔底产品的成分满足工艺要求。分满足工艺要求。 在这个过程中，影响提馏段灵在这个过程中，影响提馏段灵敏板温度的因素有：进料流量敏板温度的因素有：进料流量qvqv、进料成分进料成分X X、进料温度、进料温度T T、回流流量、回流流量qvqv、回流温度、回流温度T T、加热蒸汽流量、加热蒸汽流量qvqv、冷凝器冷却温度以及塔压冷凝器冷却温度以及塔压p p等等。等等。从工艺角度分析可以知道，除回流从工艺角度分析可以知道，除回流量和加热蒸汽量外，其他参数都不量和加热蒸汽量外，其他参数都不允许作为操纵变量。允许作为操纵变量。 根据对象特性对控制质量的影响，根据对象特

52、性对控制质量的影响，在回流量与加热蒸汽量两者之间，选在回流量与加热蒸汽量两者之间，选择加热蒸汽量作为操纵变量更为恰当。择加热蒸汽量作为操纵变量更为恰当。因为回流量与提馏段温度之间的控制因为回流量与提馏段温度之间的控制通道时间常数太大，而加热蒸汽且与通道时间常数太大，而加热蒸汽且与提馏段温度之间的控制通道时间常数提馏段温度之间的控制通道时间常数小，滞后小，这样构成的控制系统克小，滞后小，这样构成的控制系统克服干扰能力强，可以获得良好的控制服干扰能力强，可以获得良好的控制质量。质量。 (3) (3) 检测变送环节的影响检测变送环节的影响 检测变送环节在控制系统中起检测变送环节在控制系统中起着着获取

53、信息获取信息和和传送信息传送信息的作用。一个的作用。一个控制系统如不能正确及时地获取被控控制系统如不能正确及时地获取被控变量变化的信息，并把这一信息及时变量变化的信息，并把这一信息及时传送给调节器，就不可能及时有效地传送给调节器，就不可能及时有效地克服干扰对被控变量的影响，甚至会克服干扰对被控变量的影响，甚至会产生误调、失调等危及生产安全的问产生误调、失调等危及生产安全的问题。题。z 纯滞后纯滞后 在过程控制中，由于检测元件在过程控制中，由于检测元件安装位置的不适当将会产生纯滞后。安装位置的不适当将会产生纯滞后。如图如图2-142-14所示为一所示为一pHpH控制系统，由控制系统，由于检测电极

54、不能放置在流速较大的于检测电极不能放置在流速较大的主管道，只能安装在流速较小的支主管道，只能安装在流速较小的支管道上，使得管道上，使得pHpH的测量引入纯滞后的测量引入纯滞后 0 0。图图2-14 pH2-14 pH控制系统控制系统(2-21)(2-21)l1 1、l2 2主管道、支管道的长度；主管道、支管道的长度；u1 1、u2 2主管道、支管道内流体的速主管道、支管道内流体的速度。度。图图2-15 2-15 蒸汽直接加热系统蒸汽直接加热系统 图图2-152-15所示是一个用蒸汽来控所示是一个用蒸汽来控制水温的系统，蒸汽量的变化一定制水温的系统，蒸汽量的变化一定要经过长度为要经过长度为L L

55、的路程以后才能反映的路程以后才能反映出来，这是由于蒸汽作用点与被控出来，这是由于蒸汽作用点与被控变量的测量点间相隔一定距离所致。变量的测量点间相隔一定距离所致。如果水的流速为如果水的流速为V V，则蒸汽量变化引，则蒸汽量变化引起的温度变化需经过一段时间起的温度变化需经过一段时间 = =L/VL/V才表现出来，才表现出来， 就是纯滞后时间。就是纯滞后时间。 纯滞后使测量信号不能及时地纯滞后使测量信号不能及时地反映被控变量的实际值，从而降低反映被控变量的实际值，从而降低了控制系统的控制质量。由检测元了控制系统的控制质量。由检测元件安装位置所引入的纯滞后是不可件安装位置所引入的纯滞后是不可避免的，因

56、此，在设计控制系统时，避免的，因此，在设计控制系统时，只能尽可能地减小纯滞后时间，唯只能尽可能地减小纯滞后时间，唯 一的方法就是一的方法就是正确选择安装检测点正确选择安装检测点位置位置，使检测元件不要安装在死角使检测元件不要安装在死角或容易结焦的地方或容易结焦的地方。当纯滞后时间。当纯滞后时间太大时，就必须考虑使用太大时，就必须考虑使用复杂控制复杂控制方案方案。z 测量滞后测量滞后 是指由测量元件本身特性所引是指由测量元件本身特性所引起的动态误差。当测量元件感受被起的动态误差。当测量元件感受被控变量的变化时，要经过一个变化控变量的变化时，要经过一个变化过程，才能反映被控变量的实际值，过程，才能

57、反映被控变量的实际值，这时测量元件本身就构成了一个具这时测量元件本身就构成了一个具有一定时间常数的惯性环节。有一定时间常数的惯性环节。 例如，测温元件测量温度时，例如，测温元件测量温度时，由于存在传热阻力和热容，元件由于存在传热阻力和热容，元件本身具有一定的时间常数本身具有一定的时间常数T Tm m，因而，因而测温元件的输出总是滞后于被控测温元件的输出总是滞后于被控变量的变化。如果把这种测量元变量的变化。如果把这种测量元件用于控制系统，调节器接受的件用于控制系统，调节器接受的是一个失真的信号，不能发挥正是一个失真的信号，不能发挥正确的作用，因而影响控制质量。确的作用，因而影响控制质量。 克服测

58、量滞后的方法克服测量滞后的方法，通常有，通常有两种：两种： (1)(1) 尽量选用快速测量元件，以测尽量选用快速测量元件，以测量元件的时间常数为被控对象的量元件的时间常数为被控对象的时间常数的十分之一以下为宜；时间常数的十分之一以下为宜； (2)(2) 在测量元件之后引入微分作用。在测量元件之后引入微分作用。在调节器中加入微分控制作用，在调节器中加入微分控制作用，使调节器在偏差产生的初期，根使调节器在偏差产生的初期，根据偏差的变化趋势发出相应的控据偏差的变化趋势发出相应的控制信号。采用这种超前补偿作用制信号。采用这种超前补偿作用来克服测量滞后，如果应用适当，来克服测量滞后，如果应用适当，可以大

59、大改善控制质量。可以大大改善控制质量。z 传递滞后传递滞后 即即信号传输滞后信号传输滞后，主要是由于，主要是由于气压信号在管路传送过程中引起的气压信号在管路传送过程中引起的滞后滞后( (电信号的传递滞后可以忽略电信号的传递滞后可以忽略不计不计) )。 在采用气动仪表实现集中控在采用气动仪表实现集中控制的场合，调节器和显示器均集制的场合，调节器和显示器均集中安装在中心控制室，而检测变中安装在中心控制室，而检测变送器和执行器安装在现场。在由送器和执行器安装在现场。在由测量变送器至调节器和由调节器测量变送器至调节器和由调节器至执行器的信号传递中，由于管至执行器的信号传递中，由于管 线过长就形成了传递

60、滞后。由于传线过长就形成了传递滞后。由于传递滞后的存在，调节器不能及时递滞后的存在，调节器不能及时地接受测量信号，也不能将控制地接受测量信号，也不能将控制信号及时地送到执行器上，因而信号及时地送到执行器上，因而降低控制系统的控制质量。降低控制系统的控制质量。 传递滞后总是存在的，传递滞后总是存在的，克服克服或减小信号传递滞后的方法有或减小信号传递滞后的方法有： (1) (1) 尽量缩短气压信号管线的长尽量缩短气压信号管线的长度，一般不超过度，一般不超过300m300m； (2) (2) 改用电信号传递，即先用气改用电信号传递，即先用气电转换器把调节器输出的气压信电转换器把调节器输出的气压信号变