過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)1402被控對(duì)象特性(簡)課件

1、1 1書名書名:過程控制系統(tǒng)及儀表過程控制系統(tǒng)及儀表(第第3版版)出版社出版社: 大連理工大學(xué)出版社大連理工大學(xué)出版社; 第第3版版 (2010年年7月月1日日) 編著者：李亞芬；主審：邵誠編著者：李亞芬；主審：邵誠, 叢書名叢書名: 高等學(xué)校理工科化學(xué)工類規(guī)劃教材高等學(xué)校理工科化學(xué)工類規(guī)劃教材 平裝平裝: 259頁頁; 語種語種: 簡體中文簡體中文 開本開本: 16 ISBN: 9787561115015, ISBN：7-5611-1501-6 條形碼條形碼: 9787561115015 尺寸尺寸: 25.6 x 18.2 x 1.2 cm 重量重量: 522 g 原價(jià)原價(jià):25.00元元2

2、被控對(duì)象的特性被控對(duì)象的特性過程控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，是由組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)過程控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，是由組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的特性所決定的，的特性所決定的，特別是被控對(duì)象的特性對(duì)整個(gè)控特別是被控對(duì)象的特性對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行的好壞有著重大影響。制系統(tǒng)的運(yùn)行的好壞有著重大影響。3 第第2 2章章 被控對(duì)象的特性被控對(duì)象的特性2-1 概述概述一、基本概念一、基本概念p常見的被控對(duì)象有各種類型的換熱器、反應(yīng)器、精餾塔、加熱爐、液體儲(chǔ)槽及流體輸送設(shè)備等等。p盡管這些對(duì)象的幾何形狀和尺寸各異，內(nèi)部所進(jìn)行的物理、化學(xué)過程也各不相同，但是從控制的觀點(diǎn)來看，它們?cè)诒举|(zhì)上卻有許多共性，這便是研究對(duì)象特性的基礎(chǔ)。42-1

3、 概述概述o被控對(duì)象的特性：對(duì)象的輸入變量與輸出變量被控對(duì)象的特性：對(duì)象的輸入變量與輸出變量之間的相互關(guān)系。之間的相互關(guān)系。擾動(dòng)擾動(dòng)變量變量操縱操縱變量變量被控對(duì)象的輸出變量通常就是控制系統(tǒng)的被控變量。被控對(duì)象的輸出變量通常就是控制系統(tǒng)的被控變量。所有對(duì)被控變量有影響的變量都可看成是被控對(duì)象的輸入變量。所有對(duì)被控變量有影響的變量都可看成是被控對(duì)象的輸入變量。5p多輸入多輸入-單輸出對(duì)象單輸出對(duì)象：具有多個(gè)輸入變量，一般只：具有多個(gè)輸入變量，一般只選一個(gè)變量做為操縱變量（選一個(gè)變量做為操縱變量（u）對(duì)被控變量起控制）對(duì)被控變量起控制作用，而其余輸入變量都作為擾動(dòng)變量（作用，而其余輸入變量都作為擾

4、動(dòng)變量（fi）。）。2-1 概述概述6p多輸入多輸入- -多輸出對(duì)象多輸出對(duì)象: :有些被控對(duì)象可能有多個(gè)被控有些被控對(duì)象可能有多個(gè)被控變量，這種被控對(duì)象成為多輸入多輸出對(duì)象。變量，這種被控對(duì)象成為多輸入多輸出對(duì)象。2-1 概述概述7p通道：通道：對(duì)象的輸入變量至輸出變量的信號(hào)關(guān)系稱之對(duì)象的輸入變量至輸出變量的信號(hào)關(guān)系稱之為通道。為通道。p調(diào)節(jié)通道：調(diào)節(jié)通道：操縱變量至被控變量的通道操縱變量至被控變量的通道p干擾通道：干擾通道：干擾變量至被控變量的通道干擾變量至被控變量的通道2-1 概述概述干擾通道干擾通道調(diào)節(jié)通道調(diào)節(jié)通道82-1 概述概述p用數(shù)學(xué)表達(dá)式來精確描述過程對(duì)象的特性，用數(shù)學(xué)表達(dá)式來

5、精確描述過程對(duì)象的特性，即建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，主要有兩種方即建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，主要有兩種方法：法：o機(jī)理建模機(jī)理建模o實(shí)測(cè)建模實(shí)測(cè)建模質(zhì)量、能量平衡原理建模對(duì)象的輸入、輸出數(shù)據(jù)，采用系統(tǒng)辨識(shí)建模9一、一階對(duì)象的機(jī)理建模及特性分析一、一階對(duì)象的機(jī)理建模及特性分析1 1一階對(duì)象的數(shù)學(xué)模型一階對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 當(dāng)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可以用當(dāng)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可以用一階線性微分方程式一階線性微分方程式來來描述時(shí)，該對(duì)象一般稱為描述時(shí)，該對(duì)象一般稱為一階對(duì)象或單容對(duì)象一階對(duì)象或單容對(duì)象。 以單容水槽為例，推導(dǎo)一階對(duì)象的數(shù)學(xué)模型以單容水槽為例，推導(dǎo)一階對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 2-2 被控對(duì)象特性的機(jī)理建模被控對(duì)象

6、特性的機(jī)理建模水槽水槽操縱操縱變量變量被控被控變量變量10對(duì)象的輸出變量（被控變量）：對(duì)象的輸出變量（被控變量）：液位液位h h對(duì)象的輸入變量（操縱變量）：對(duì)象的輸入變量（操縱變量）：流量流量QiQi下面推導(dǎo)下面推導(dǎo)h h與與QiQi之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。工藝已確定出工藝已確定出水閥門開度水閥門開度2-2 被控對(duì)象特性的機(jī)理建模被控對(duì)象特性的機(jī)理建模11 根據(jù)物料平衡關(guān)系有：iodMdtQQ2-2 被控對(duì)象特性的機(jī)理建模被控對(duì)象特性的機(jī)理建模式中，M 為槽中的儲(chǔ)液量。iodhAd tQQ 若貯槽的橫截面A不變，則有M=Ah。12由工藝設(shè)備的特性可知，由工藝設(shè)備的特性可知，Q QO O

7、與與h h的關(guān)系是非線性的。的關(guān)系是非線性的。考慮到考慮到h h和和Q QO O的變化量相對(duì)較小，可以近似認(rèn)為的變化量相對(duì)較小，可以近似認(rèn)為Q QO O與與h h成正比，與出水閥的阻力系數(shù)成正比，與出水閥的阻力系數(shù)R R成反比，其具體關(guān)系成反比，其具體關(guān)系式如下：式如下：0hRQ經(jīng)過整理可得到經(jīng)過整理可得到: : id hARh RdtQ 2-2 被控對(duì)象特性的機(jī)理建模被控對(duì)象特性的機(jī)理建模13令令T=ART=AR，K=RK=R，則可得到，則可得到 （2-5） idhThKdtQ 如果上式各變量都以自己的穩(wěn)態(tài)值為起算點(diǎn)，即h0=Qs=0 ，則可去掉式中的增量符號(hào)，直接寫成 (2-6)idhTh

8、KdtQ 式（式（2-62-6）就是描述簡單水槽對(duì)象特性的數(shù)學(xué)模）就是描述簡單水槽對(duì)象特性的數(shù)學(xué)模型。它是一個(gè)一階常系數(shù)微分方程式。型。它是一個(gè)一階常系數(shù)微分方程式。其中：T為時(shí)間常數(shù)；為時(shí)間常數(shù)；K為放大系數(shù)。為放大系數(shù)。2-2 被控對(duì)象特性的機(jī)理建模被控對(duì)象特性的機(jī)理建模142 2 一階對(duì)象的特性分析一階對(duì)象的特性分析為了求單容水槽對(duì)象輸出h在輸入Qi作用下的變化規(guī)律，可以對(duì)一階微分方程式進(jìn)行求解。 假定輸入變量Qi為階躍作用，即： 則式（2-5）的通解為 h h（t t）=K=KQ + CeQ + Ce- t/T- t/T （2-8） 將初始條件h(0）= 0 代入上式，得到 h h（t

9、 t）=K=KQ Q（1- e1- e- t/T- t/T ） （2-9）2-2 被控對(duì)象特性的機(jī)理建模被控對(duì)象特性的機(jī)理建模152-2 被控對(duì)象特性的機(jī)理建模被控對(duì)象特性的機(jī)理建模16(1(1）對(duì)象輸出的變化特點(diǎn)）對(duì)象輸出的變化特點(diǎn)對(duì)式（2-9）求導(dǎo)，可得h在t時(shí)刻變化速度，即/t TdhKQdtTe當(dāng)t=0時(shí)，得h的初始變化速度0( )|td hK QhdtTT當(dāng)t=時(shí)，得h的最終變化速度 0|tdhd t 2-2 被控對(duì)象特性的機(jī)理建模被控對(duì)象特性的機(jī)理建模172-2 被控對(duì)象特性的機(jī)理建模被控對(duì)象特性的機(jī)理建模一階對(duì)象在階躍一階對(duì)象在階躍輸入作用下，輸輸入作用下，輸出變量在輸入變出變量

10、在輸入變量變化瞬間變化量變化瞬間變化速度最大，隨著速度最大，隨著時(shí)間增加，變化時(shí)間增加，變化速度逐漸變緩，速度逐漸變緩，當(dāng)時(shí)間趨于無窮當(dāng)時(shí)間趨于無窮大時(shí)，變化速度大時(shí)，變化速度趨近于零，這時(shí)趨近于零，這時(shí)輸出參數(shù)達(dá)到新輸出參數(shù)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值。的穩(wěn)態(tài)值。18(2(2）放大系數(shù)）放大系數(shù)K K由h（t）=KQ（1-Ce-t/T ）可以看出，在階躍輸入Qi的作用下，隨著時(shí)間t，液位將達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值，其最終的變化量為h（）= KQ，這就是說，一階水槽的輸出變化量與輸入變化量之比是一個(gè)常數(shù)。 （2-12） ()hKQ放大系數(shù)放大系數(shù)K K 的物理意義可以理解為：的物理意義可以理解為：如果有一定的輸入變化

11、量，通過對(duì)象環(huán)節(jié)就被放如果有一定的輸入變化量，通過對(duì)象環(huán)節(jié)就被放大了大了K K 倍輸出。倍輸出。K K是反映對(duì)象靜態(tài)特性的參數(shù)是反映對(duì)象靜態(tài)特性的參數(shù)。2-2 被控對(duì)象特性的機(jī)理建模被控對(duì)象特性的機(jī)理建模19時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T T的物理意義理解為：的物理意義理解為： 當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用后，對(duì)象的輸出變量始終當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用后，對(duì)象的輸出變量始終保持初始速度變化而達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。保持初始速度變化而達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。2-2 被控對(duì)象特性的機(jī)理建模被控對(duì)象特性的機(jī)理建模(3) 時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T該曲線在起始點(diǎn)處切線的斜該曲線在起始點(diǎn)處切線的斜率，就是率，就是h()/T

12、，這條切，這條切線與新的穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對(duì)線與新的穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間正好等于應(yīng)的時(shí)間正好等于T。20p理論上說，需要無限長的時(shí)間，即只有當(dāng)理論上說，需要無限長的時(shí)間，即只有當(dāng)t 時(shí)，時(shí)，才有才有h（）=KQ 。p當(dāng)分別把時(shí)間當(dāng)分別把時(shí)間 T,2T,3TT,2T,3T和和4T4T代代入入式式h（t）=KQ（1-Ce-t/T ）時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)：時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)：h(T) = Kh(T) = KQ(1-eQ(1-e-1-1）0.632K0.632KQ = 0.632Q = 0.632h h（）h(2T) = Kh(2T) = KQ(1- eQ(1- e-2-2）0.865K0.865KQ = 0.86

13、5Q = 0.865h()h()h (3Th (3T）= K= KQ(1- eQ(1- e-3-3）0.95K0.95KQ = 0.95Q = 0.95h() h() h(4T)= Kh(4T)= KQ (1-eQ (1-e-4-4）0.982K0.982KQ =0.982Q =0.982h()h() 2-2 被控對(duì)象特性的機(jī)理建模被控對(duì)象特性的機(jī)理建模經(jīng)過經(jīng)過3T時(shí)間，液位變化了全部變化范圍的時(shí)間，液位變化了全部變化范圍的95。經(jīng)。經(jīng)過過4T時(shí)間，液位變化了全部變化范圍的時(shí)間，液位變化了全部變化范圍的98。21p時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T T是反映對(duì)象響應(yīng)速度快慢的一個(gè)重要的動(dòng)是反映對(duì)象響應(yīng)速度快慢

14、的一個(gè)重要的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)態(tài)特性參數(shù)。T越小，對(duì)象輸出變量的變化就越快，越小，對(duì)象輸出變量的變化就越快，T越大，對(duì)象輸出變量的變化就越慢。越大，對(duì)象輸出變量的變化就越慢。p時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T=ART=AR，即，即T T與水槽的橫截面與水槽的橫截面A A以及出口閥門以及出口閥門的阻力系數(shù)的阻力系數(shù)R R有關(guān)。從工藝常識(shí)定性知道，在進(jìn)口流量有關(guān)。從工藝常識(shí)定性知道，在進(jìn)口流量發(fā)生同樣變化的情況下，閥門開度一定，水槽的橫截發(fā)生同樣變化的情況下，閥門開度一定，水槽的橫截面積越大，儲(chǔ)水能力就越強(qiáng)，慣性也就越大，液位需面積越大，儲(chǔ)水能力就越強(qiáng)，慣性也就越大，液位需經(jīng)較長時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值經(jīng)較長時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)

15、態(tài)值。反之，水槽的橫截面積反之，水槽的橫截面積越小，儲(chǔ)水能力就越差，只需較短的時(shí)間就趨向于穩(wěn)越小，儲(chǔ)水能力就越差，只需較短的時(shí)間就趨向于穩(wěn)態(tài)值。態(tài)值。2-2 被控對(duì)象特性的機(jī)理建模被控對(duì)象特性的機(jī)理建模222-3 被控對(duì)象特性的實(shí)測(cè)建模被控對(duì)象特性的實(shí)測(cè)建模o一種具有實(shí)用意義的建模方法就是直接從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一種具有實(shí)用意義的建模方法就是直接從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來建立模型，即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀袝r(shí)稱之為黑來建立模型，即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀袝r(shí)稱之為黑箱（盒）模型（箱（盒）模型（black box model ）。）。o階躍響應(yīng)曲線的獲取：階躍響應(yīng)曲線的獲?。褐恢灰归y門的開度做一階躍要使閥門的開度做一階躍變化，

16、然后通過記錄儀就變化，然后通過記錄儀就能得到響應(yīng)曲線。能得到響應(yīng)曲線。o由曲線數(shù)據(jù)計(jì)算被控對(duì)象由曲線數(shù)據(jù)計(jì)算被控對(duì)象模型。模型。23【例題】某一直接蒸汽加熱器具有一階對(duì)象特性。物【例題】某一直接蒸汽加熱器具有一階對(duì)象特性。物料當(dāng)前溫度為料當(dāng)前溫度為7070，在蒸汽量階躍變化在蒸汽量階躍變化1010后，經(jīng)過后，經(jīng)過1 1分鐘，出口溫度已經(jīng)達(dá)到分鐘，出口溫度已經(jīng)達(dá)到78.6578.65。最終物料的出口。最終物料的出口溫度穩(wěn)定時(shí)為溫度穩(wěn)定時(shí)為8080時(shí)，試寫出該對(duì)象相應(yīng)的微分方程時(shí)，試寫出該對(duì)象相應(yīng)的微分方程式，并畫出該對(duì)象的輸出階躍響應(yīng)曲線。式，并畫出該對(duì)象的輸出階躍響應(yīng)曲線。 2-3 被控對(duì)象特

17、性的實(shí)測(cè)建模被控對(duì)象特性的實(shí)測(cè)建模242-3 被控對(duì)象特性的實(shí)測(cè)建模被控對(duì)象特性的實(shí)測(cè)建模解：該對(duì)象的輸出為出口溫度解：該對(duì)象的輸出為出口溫度y（），輸入），輸入為蒸汽量為蒸汽量x (%)。=10/10=1 (/%) yKxdyTyKxdt已知輸入的階躍幅值已知輸入的階躍幅值x=10%，輸出的最終變化量，輸出的最終變化量y = 80-70 =10，則有：，則有： 25y（t）=Kx（1-Ce-t/T ），），當(dāng)當(dāng)t=60st=60s時(shí)，輸出變化時(shí)，輸出變化量量y=78.65-70=8.65y=78.65-70=8.65則有：則有：8.65=18.65=1* *10(1- e10(1- e-60

18、/T-60/T）由上式可以解得：由上式可以解得：T30(s) T30(s) 由此可寫出描述該對(duì)象的微分方程式為由此可寫出描述該對(duì)象的微分方程式為: :30dyyxdt 該對(duì)象的輸出階躍響該對(duì)象的輸出階躍響應(yīng)曲線如圖所示應(yīng)曲線如圖所示: : 2-3 被控對(duì)象特性的實(shí)測(cè)建模被控對(duì)象特性的實(shí)測(cè)建模26p在連續(xù)化生產(chǎn)中，有的被控對(duì)象或過程，在輸入在連續(xù)化生產(chǎn)中，有的被控對(duì)象或過程，在輸入變量發(fā)生變化后，輸出變量并不立刻隨之變化，而變量發(fā)生變化后，輸出變量并不立刻隨之變化，而是要隔上一段時(shí)間后才產(chǎn)生響應(yīng)。我們把具有這種是要隔上一段時(shí)間后才產(chǎn)生響應(yīng)。我們把具有這種特性的對(duì)象稱為特性的對(duì)象稱為純滯后對(duì)象純滯

19、后對(duì)象。p輸出變量落后于輸入變量變化的那段時(shí)間則稱為輸出變量落后于輸入變量變化的那段時(shí)間則稱為純滯后的時(shí)間純滯后的時(shí)間，常用，常用表示。表示。純滯后對(duì)象典型特例純滯后對(duì)象典型特例: :溶解槽對(duì)象溶解槽對(duì)象2-4 純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性272-4 純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性操縱變量：操縱變量：送料量送料量被控變量：被控變量：溶解槽中的溶液濃度溶解槽中的溶液濃度28若料斗處加大若料斗處加大送料量送料量，溶解槽中的，溶解槽中的溶液濃度溶液濃度并不并不會(huì)馬上改變，只有當(dāng)增加的固體溶質(zhì)被輸送到加料口，會(huì)馬上改變，只有當(dāng)增加的固體溶質(zhì)被輸送到加料口，

20、并落入槽中后，溶液濃度才開始變化，也就是說溶液并落入槽中后，溶液濃度才開始變化，也就是說溶液濃度變化落后溶質(zhì)變化一個(gè)輸送時(shí)間。濃度變化落后溶質(zhì)變化一個(gè)輸送時(shí)間。假設(shè)皮帶輸送機(jī)的傳送速度是假設(shè)皮帶輸送機(jī)的傳送速度是v v，傳送距離為，傳送距離為l l ，則輸送時(shí)間為則輸送時(shí)間為l/vl/v，該時(shí)間就是純滯后時(shí)間，該時(shí)間就是純滯后時(shí)間。 純滯后對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性與一階對(duì)象的特性是類似純滯后對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性與一階對(duì)象的特性是類似的，數(shù)學(xué)模型的形式也基本相同，只不過輸出的響應(yīng)的，數(shù)學(xué)模型的形式也基本相同，只不過輸出的響應(yīng)相對(duì)輸入來說向后平移了相對(duì)輸入來說向后平移了的時(shí)間。的時(shí)間。2-4 純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型

21、及特性純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性29如果一階對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為： ( )( )( )dy tTy tKx tdt則一階純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)則一階純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為：模型為： ( )( )()dy tTy tKx tdt2-4 純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性一階純滯后對(duì)象一階純滯后對(duì)象的階的階躍響應(yīng)曲線躍響應(yīng)曲線30一階純滯后對(duì)象的實(shí)測(cè)建模一階純滯后對(duì)象的實(shí)測(cè)建模o大多數(shù)過程的特性是很復(fù)雜的，其描述模型體大多數(shù)過程的特性是很復(fù)雜的，其描述模型體現(xiàn)高階滯后系統(tǒng)的特性?，F(xiàn)高階滯后系統(tǒng)的特性。在工程上，往往忽略在工程上，往往忽略其高階的動(dòng)態(tài)特性，用簡單的一階純滯后對(duì)象其高階的動(dòng)態(tài)特

22、性，用簡單的一階純滯后對(duì)象近似描述，即：近似描述，即： ( )( )()dy tTy tKx tdt2-4 純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性312-4 純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性方法方法1（當(dāng)拐點(diǎn)易確定時(shí)）：（當(dāng)拐點(diǎn)易確定時(shí)）：( )( )()dy tTy tKx tdt32對(duì)于這種模型參數(shù)的確定，其圖解法求解步驟為：對(duì)于這種模型參數(shù)的確定，其圖解法求解步驟為：1.求過程的增益求過程的增益K，即計(jì)算階躍響應(yīng)后，即計(jì)算階躍響應(yīng)后y的穩(wěn)態(tài)值與階的穩(wěn)態(tài)值與階躍響應(yīng)變化值之比躍響應(yīng)變化值之比: 2.在階躍響應(yīng)曲線的拐點(diǎn)作切線，該切線與時(shí)間軸的在階躍響應(yīng)曲線

23、的拐點(diǎn)作切線，該切線與時(shí)間軸的交點(diǎn)就是純遲后時(shí)間交點(diǎn)就是純遲后時(shí)間 。3.該切線與穩(wěn)態(tài)值相交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為該切線與穩(wěn)態(tài)值相交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為 ，所以時(shí)間常數(shù)所以時(shí)間常數(shù) tTTt ()( 0 )yyKu2-4 純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性33方法方法2（當(dāng)拐點(diǎn)不易確定時(shí)）：（當(dāng)拐點(diǎn)不易確定時(shí)）：2-4 純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性( )( )()dy tTy tKx tdt341.求過程的增益求過程的增益K，即計(jì)算階躍響應(yīng)后，即計(jì)算階躍響應(yīng)后y的的穩(wěn)態(tài)值與階躍響應(yīng)變化值之比。穩(wěn)態(tài)值與階躍響應(yīng)變化值之比。2.時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)T和純滯后時(shí)間采用兩點(diǎn)法計(jì)

24、算：和純滯后時(shí)間采用兩點(diǎn)法計(jì)算：規(guī)律：規(guī)律：找到階躍響應(yīng)曲線達(dá)到穩(wěn)態(tài)幅值找到階躍響應(yīng)曲線達(dá)到穩(wěn)態(tài)幅值28%和和63%所對(duì)應(yīng)的時(shí)間所對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1和和t2，聯(lián)立求解以，聯(lián)立求解以下方程組：下方程組：2-4 純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性純滯后對(duì)象的數(shù)學(xué)模型及特性351 1有自衡能力對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性有自衡能力對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 p有自衡能力的對(duì)象具有這樣的性質(zhì)：有自衡能力的對(duì)象具有這樣的性質(zhì)：當(dāng)受到階躍干擾作用使平衡狀態(tài)遭到破壞后，當(dāng)受到階躍干擾作用使平衡狀態(tài)遭到破壞后，在不需要任何外力作用（即不進(jìn)行控制）下，依靠在不需要任何外力作用（即不進(jìn)行控制）下，依靠對(duì)象自身的能力，對(duì)象的輸出（被控變量）便可自對(duì)象自

25、身的能力，對(duì)象的輸出（被控變量）便可自發(fā)地恢復(fù)到新的平衡狀態(tài)。發(fā)地恢復(fù)到新的平衡狀態(tài)。2-5 自衡與非自衡能力對(duì)象特性自衡與非自衡能力對(duì)象特性o例例1：儲(chǔ)槽對(duì)象：儲(chǔ)槽對(duì)象36o例例1：儲(chǔ)槽液位：儲(chǔ)槽液位入水閥門開度增大，液位上升，靜壓增大，出料增加，入水閥門開度增大，液位上升，靜壓增大，出料增加，液位上升到一定高度，出入流量相等，達(dá)到新平衡液位上升到一定高度，出入流量相等，達(dá)到新平衡2-5 自衡與非自衡能力對(duì)象特性自衡與非自衡能力對(duì)象特性37o例例2：加熱器溫度：加熱器溫度閥門開度增大，蒸汽增加，物流溫度升高，閥門開度增大，蒸汽增加，物流溫度升高，隨著冷物流的不斷流入，出口溫度達(dá)到新平衡。隨著

26、冷物流的不斷流入，出口溫度達(dá)到新平衡。2-5 自衡與非自衡能力對(duì)象特性自衡與非自衡能力對(duì)象特性38o以上兩個(gè)有自衡能力的對(duì)象在階躍輸入下的以上兩個(gè)有自衡能力的對(duì)象在階躍輸入下的響應(yīng)曲線分別如圖所示。響應(yīng)曲線分別如圖所示。2-5 自衡與非自衡能力對(duì)象特性自衡與非自衡能力對(duì)象特性392 2無自衡能力對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性無自衡能力對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性p無自衡能力的對(duì)象具有這樣的性質(zhì)：無自衡能力的對(duì)象具有這樣的性質(zhì)：如果一個(gè)被控對(duì)象（或過程）在受到階躍輸入干擾作如果一個(gè)被控對(duì)象（或過程）在受到階躍輸入干擾作用使平衡狀態(tài)遭到破壞后，在沒有其它外力的作用下，用使平衡狀態(tài)遭到破壞后，在沒有其它外力的作用下，依靠自身的能

27、力無法再達(dá)到新的平衡狀態(tài)，則該對(duì)象依靠自身的能力無法再達(dá)到新的平衡狀態(tài)，則該對(duì)象就是無自衡能力的對(duì)象。就是無自衡能力的對(duì)象。 p例：儲(chǔ)槽（加入定量泵）例：儲(chǔ)槽（加入定量泵）2-5 自衡與非自衡能力對(duì)象特性自衡與非自衡能力對(duì)象特性40o例：儲(chǔ)槽（加入定量泵）例：儲(chǔ)槽（加入定量泵）入水閥門開度增大，液位上升，靜壓增大，但出料不變?nèi)胨y門開度增大，液位上升，靜壓增大，但出料不變液位一直上升，達(dá)不到新平衡液位一直上升，達(dá)不到新平衡2-5 自衡與非自衡能力對(duì)象特性自衡與非自衡能力對(duì)象特性41液體儲(chǔ)槽液體儲(chǔ)槽（加入定量泵）（加入定量泵）的階躍響應(yīng)曲線如圖的階躍響應(yīng)曲線如圖2-7(a2-7(a）所示。還有些

28、無自衡能力對(duì)象的階躍響應(yīng)特）所示。還有些無自衡能力對(duì)象的階躍響應(yīng)特性呈非線性變化，如圖性呈非線性變化，如圖2-7 (b2-7 (b）所示）所示。 2-5 自衡與非自衡能力對(duì)象特性自衡與非自衡能力對(duì)象特性42小結(jié)小結(jié)o被控對(duì)象的特性：對(duì)象的輸入變量與輸出變量被控對(duì)象的特性：對(duì)象的輸入變量與輸出變量之間的相互關(guān)系。之間的相互關(guān)系。擾動(dòng)擾動(dòng)變量變量操縱操縱變量變量深入了解被控對(duì)象的特性，可設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的深入了解被控對(duì)象的特性，可設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。43課程小結(jié)課程小結(jié)o掌握對(duì)象特性的定義；掌握對(duì)象特性的定義；o了解一階對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立方法；了解一階對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立方法；o掌握一

29、階對(duì)象特性的三個(gè)參數(shù)掌握一階對(duì)象特性的三個(gè)參數(shù)K，T， 的概念的概念及物理意義。及物理意義。 44p做作業(yè)一（做作業(yè)一（word附件附件1）作業(yè)題作業(yè)題電信學(xué)院自動(dòng)化系先進(jìn)控制技術(shù)研究所45過程控制系統(tǒng)及儀表(第3版)1402被控對(duì)象特性(簡)4646內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介過程控制系統(tǒng)及儀表過程控制系統(tǒng)及儀表(第第3版版)內(nèi)容簡介：內(nèi)容簡介：過程控制系統(tǒng)的理論分析和設(shè)計(jì)需要較過程控制系統(tǒng)的理論分析和設(shè)計(jì)需要較多的數(shù)學(xué)知識(shí)，自動(dòng)化儀表在設(shè)計(jì)制造多的數(shù)學(xué)知識(shí)，自動(dòng)化儀表在設(shè)計(jì)制造方面也有許多技術(shù)問題值得探討。但是，方面也有許多技術(shù)問題值得探討。但是，對(duì)于工藝技術(shù)人員來說，主要關(guān)心的問對(duì)于工藝技術(shù)人員來說

30、，主要關(guān)心的問題是控制系統(tǒng)和儀表的基本原理及其應(yīng)題是控制系統(tǒng)和儀表的基本原理及其應(yīng)用特性。因此，用特性。因此，過程控制系統(tǒng)及儀表過程控制系統(tǒng)及儀表(第第3版版)盡量避免繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，盡量避免繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，力求用簡明扼要的文字和插圖使讀者對(duì)力求用簡明扼要的文字和插圖使讀者對(duì)所學(xué)知識(shí)有更多的定性了解，通俗易懂，所學(xué)知識(shí)有更多的定性了解，通俗易懂，這是這是過程控制系統(tǒng)及儀表過程控制系統(tǒng)及儀表(第第3版版)的另一個(gè)特色。的另一個(gè)特色。過程控制系統(tǒng)和儀表涉及的領(lǐng)域十分廣過程控制系統(tǒng)和儀表涉及的領(lǐng)域十分廣闊，研究內(nèi)容也極其豐富。本著理論聯(lián)闊，研究內(nèi)容也極其豐富。本著理論聯(lián)系實(shí)際、學(xué)以致用的原則，系實(shí)際

31、、學(xué)以致用的原則，過程控制過程控制系統(tǒng)及儀表系統(tǒng)及儀表(第第3版版)在取材方面，不在取材方面，不追求包羅萬象、面面俱到，而是力爭把追求包羅萬象、面面俱到，而是力爭把最基本、最常用的內(nèi)容都包含進(jìn)來。突最基本、最常用的內(nèi)容都包含進(jìn)來。突出重點(diǎn)，注重實(shí)用是出重點(diǎn)，注重實(shí)用是過程控制系統(tǒng)及過程控制系統(tǒng)及儀表儀表(第第3版版)的第三個(gè)特色。的第三個(gè)特色。 第3版2010-07第2版出版日期：2006-08-01 4747目錄目錄 第第1篇篇 過程控制基礎(chǔ)知識(shí)過程控制基礎(chǔ)知識(shí)第第1章章 緒論緒論1.1 生產(chǎn)過程自動(dòng)化概述生產(chǎn)過程自動(dòng)化概述1.1.1 生產(chǎn)過程及其特點(diǎn)生產(chǎn)過程及其特點(diǎn)1.1.2 生產(chǎn)過程對(duì)控

32、制的要求生產(chǎn)過程對(duì)控制的要求1.1.3 生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展歷程生產(chǎn)過程自動(dòng)化的發(fā)展歷程1.2 過程控制系統(tǒng)的組成及分類過程控制系統(tǒng)的組成及分類1.2.1 過程控制系統(tǒng)的組成過程控制系統(tǒng)的組成1.2.2 過程控制系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)的分類1.3 過程控制系統(tǒng)的方塊圖與工藝控制流程圖過程控制系統(tǒng)的方塊圖與工藝控制流程圖1.3.1 過程控制系統(tǒng)的方塊圖過程控制系統(tǒng)的方塊圖1.3.2 過程控制系統(tǒng)的工藝控制流程圖過程控制系統(tǒng)的工藝控制流程圖1.4 過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標(biāo)過程控制系統(tǒng)的過渡過程和性能指標(biāo)1.4.1 過程控制系統(tǒng)的過渡過程過程控制系統(tǒng)的過渡過程1.4.2 過程控制系統(tǒng)的性能指

33、標(biāo)過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)習(xí)題習(xí)題第第2章章 被控對(duì)象的特性被控對(duì)象的特性2.1 概述概述2.1.1 基本概念基本概念2.1.2 被控對(duì)象的階躍響應(yīng)特性被控對(duì)象的階躍響應(yīng)特性2.2 被控對(duì)象特性的數(shù)學(xué)描述被控對(duì)象特性的數(shù)學(xué)描述2.2.1 一階對(duì)象的機(jī)理建模及特性分析一階對(duì)象的機(jī)理建模及特性分析2.2.2 二階對(duì)象的機(jī)理建模及特性分析二階對(duì)象的機(jī)理建模及特性分析2.2.3 純滯后對(duì)象的機(jī)理建模及特性分析純滯后對(duì)象的機(jī)理建模及特性分析2.3 被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)測(cè)試建模被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)測(cè)試建模2.3.1 階躍響應(yīng)曲線的獲取階躍響應(yīng)曲線的獲取2.3.2 一階純滯后對(duì)象特性參數(shù)的確定一階純滯后對(duì)象特性參數(shù)的確定

34、2.3.3 二階對(duì)象特性參數(shù)的確定習(xí)題二階對(duì)象特性參數(shù)的確定習(xí)題 第第2篇篇 過程自動(dòng)化裝置過程自動(dòng)化裝置第第3章章 過程測(cè)量儀表過程測(cè)量儀表 3.1 測(cè)量儀表中的基本概念測(cè)量儀表中的基本概念3.1.1 測(cè)量過程及測(cè)量儀表測(cè)量過程及測(cè)量儀表3.1.2 檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性及性能指標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性及性能指標(biāo) 3.2 溫度測(cè)量溫度測(cè)量3.2.1 概述概述3.2.2 熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì)3.2.3 熱電阻溫度計(jì)熱電阻溫度計(jì)3.2.4 溫度測(cè)量儀表的選用溫度測(cè)量儀表的選用3.2.5 溫度交迭器溫度交迭器3.2.6 一體化溫度變送器一體化溫度變送器3.2.7 智能溫度變送器智能溫度變送器 3.3

35、壓力測(cè)量壓力測(cè)量3.3.1 概述概述3.3.2 彈性式壓力表彈性式壓力表3.3.3 電容武壓力變送器電容武壓力變送器3.3.4 擴(kuò)散硅壓力變送器擴(kuò)散硅壓力變送器3.3.5 智能差壓變送器智能差壓變送器3.3.6 壓力表的選擇和使用壓力表的選擇和使用 3.4 流量測(cè)量流量測(cè)量3.4.1 概述概述3.4.2 差壓式流量計(jì)差壓式流量計(jì)3.4.3 容積式流量計(jì)容積式流量計(jì)3.4.4 浮子式流量計(jì)浮子式流量計(jì)3.4.5 電磁流量計(jì)電磁流量計(jì)3.4.6 渦街流量計(jì)渦街流量計(jì)4848 3.5 物位測(cè)量物位測(cè)量3.5.1 概述概述3.5.2 靜壓式液位計(jì)靜壓式液位計(jì)3.5.3 磁浮子式液位計(jì)磁浮子式液位計(jì)3.

36、5.4 電容武物位計(jì)電容武物位計(jì)3.5.5 其他物位測(cè)量儀表其他物位測(cè)量儀表 3.6 顯示儀表顯示儀表3.6.1 概述概述3.6.2 模擬式顯示儀表模擬式顯示儀表3.6.3 數(shù)字式顯示儀表數(shù)字式顯示儀表3.6.4 智能化、數(shù)字化記錄儀智能化、數(shù)字化記錄儀習(xí)題習(xí)題 第第4章章 過程控制儀表過程控制儀表4.1 基本控制規(guī)律基本控制規(guī)律4.1.1 位式控制位式控制4.1.2 比例控制比例控制4.1.3 比例積分控制比例積分控制4.1.4 比例微分控制比例微分控制4.1.5 比例積分微分控制比例積分微分控制4.2 DDZ一一型調(diào)節(jié)器型調(diào)節(jié)器4.2.1 主要功能主要功能4.2.2 構(gòu)成原理構(gòu)成原理4.3

37、 可編程調(diào)節(jié)器可編程調(diào)節(jié)器4.3.1 KMM可編程調(diào)節(jié)器的構(gòu)成可編程調(diào)節(jié)器的構(gòu)成4.3.2 KMM可編程調(diào)節(jié)器的主要功能可編程調(diào)節(jié)器的主要功能4.3.3 正面板和側(cè)面板正面板和側(cè)面板 4.4 可編程控制器可編程控制器4.4.1 可編程控制器的產(chǎn)生與發(fā)展可編程控制器的產(chǎn)生與發(fā)展4.4.2 可編程控制器的應(yīng)用場(chǎng)合可編程控制器的應(yīng)用場(chǎng)合4.4.3 可編程控制器的構(gòu)成、分類及可編程控制器的構(gòu)成、分類及工作過程工作過程4.4.4 可編程控制器的編程語言可編程控制器的編程語言4.4.5 可編程控制器選型基本原則可編程控制器選型基本原則4.4.6 松下松下FPI可編程控制器可編程控制器習(xí)題習(xí)題第第5章章 過

38、程執(zhí)行儀表過程執(zhí)行儀表5.1 概述概述5.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.2.1 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.2.2 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)5.3 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)5.3.1 常用調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及特點(diǎn)常用調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及特點(diǎn)5.3.2 流量系數(shù)與可調(diào)比流量系數(shù)與可調(diào)比5.3.3 流量特性流量特性5.4 電一氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器電一氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器5.4.1 電一氣轉(zhuǎn)換器電一氣轉(zhuǎn)換器5.4.2 閥門定位器的主要用途閥門定位器的主要用途5.4.3 電一氣閥門定位器電一氣閥門定位器習(xí)題習(xí)題4949 第第3篇篇 垃程控制系統(tǒng)垃程控制系統(tǒng) 第第6章章 簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)6.1 概述概述6.2 被控變量的選擇被控

39、變量的選擇6.3 操縱變量的選擇操縱變量的選擇6.3.1 對(duì)象靜態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響對(duì)象靜態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響6.3.2 對(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響對(duì)象動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制質(zhì)量的影響6.3.3 選擇操縱變量的原則選擇操縱變量的原則6.4 控制系統(tǒng)中盼測(cè)量變送問題控制系統(tǒng)中盼測(cè)量變送問題6.4.1 測(cè)量變送問題對(duì)控制質(zhì)量的影響測(cè)量變送問題對(duì)控制質(zhì)量的影響6.4.2 克服測(cè)量變送問題的措施克服測(cè)量變送問題的措施6.5 執(zhí)行器的選擇執(zhí)行器的選擇6.5.1 閥流量特性的選擇閥流量特性的選擇6.5.2 執(zhí)行器開閉形式的選擇執(zhí)行器開閉形式的選擇6.6 控制器的選擇控制器的選擇6.6.1 控制規(guī)律的選擇控制

40、規(guī)律的選擇6.6.2 控制器正反作用的確定控制器正反作用的確定6.7 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及控制器參數(shù)的整定控制系統(tǒng)的投運(yùn)及控制器參數(shù)的整定6.7.1 控制系統(tǒng)的投運(yùn)控制系統(tǒng)的投運(yùn)6.7.2 控制器參數(shù)的整定控制器參數(shù)的整定習(xí)題習(xí)題第第7章章 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)7.1 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)7.1.1 串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)7.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程7.1.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合7.1.4 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題7.1.5 串級(jí)控制系統(tǒng)的整定串級(jí)控制系統(tǒng)的整定 7.2 比值控制

41、系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)7.2.1 概述概述7.2.2 比值控制系統(tǒng)的類型比值控制系統(tǒng)的類型7.3 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)7.3.1 概述概述7.3.2 前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式7.3.3 前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用7.4 均勻控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)7.4.1 均勻控制問題的提出均勻控制問題的提出7.4.2 均勻控制的特點(diǎn)均勻控制的特點(diǎn)7.4.3 均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式均勻控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式7.5 分程控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)7.5.1 基本概念基本概念7.5.2 分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合分程控制系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合7.6 選擇性控制系統(tǒng)選擇性控制系統(tǒng)7.6.1 基本概念基本概念7.6.2 選擇性控制系統(tǒng)的實(shí)例分析選擇性控制系統(tǒng)的實(shí)例分析7.7 多沖量控制系統(tǒng)多沖量控制系統(tǒng)習(xí)題習(xí)題第第8章章 先進(jìn)過程控制系