過程動態(tài)學與控制教學教材

1、過程動態(tài)學與控制輸入變量輸入變量：指那些能夠獨立激勵系統(tǒng)并引起過程內部狀態(tài)變化：指那些能夠獨立激勵系統(tǒng)并引起過程內部狀態(tài)變化的那些變量（的那些變量（F、Ti、QA、QF）輸出變量輸出變量：指那些從中可以得到過程內部信息的變量（：指那些從中可以得到過程內部信息的變量（T）狀態(tài)變量狀態(tài)變量：指那些能夠用于描述過程內部狀態(tài)的最少變量集合。：指那些能夠用于描述過程內部狀態(tài)的最少變量集合。這些變量的顯現(xiàn)形式是輸出。因此，輸出變量可以是某一狀態(tài)這些變量的顯現(xiàn)形式是輸出。因此，輸出變量可以是某一狀態(tài)變量的測量值，也可以是狀態(tài)變量某種組合的測量值（變量的測量值，也可以是狀態(tài)變量某種組合的測量值（T）干擾變量干

2、擾變量：使過程狀態(tài)和輸出偏離期望水平的變量（：使過程狀態(tài)和輸出偏離期望水平的變量（F、Ti、PF、 F） 上述變量均可細分為可測（上述變量均可細分為可測（on-line, off-line）和不可測兩類）和不可測兩類被控變量被控變量：指那些需要被控制在給定值或給定軌跡的變量（：指那些需要被控制在給定值或給定軌跡的變量（T）操縱變量操縱變量：指那些用來調節(jié)被控變量的變量（：指那些用來調節(jié)被控變量的變量（QA、QF） 變量變量 參數(shù)參數(shù)小結（以原油加熱爐為例）小結（以原油加熱爐為例）開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制 閉環(huán)控制指輸入閉環(huán)控制指輸入-輸出之間通過反饋作用實現(xiàn)閉環(huán)。若輸出之間通過反饋

3、作用實現(xiàn)閉環(huán)。若一個控制系統(tǒng)不利用這一因果（閉環(huán)）關系，而僅僅依據(jù)某一個控制系統(tǒng)不利用這一因果（閉環(huán)）關系，而僅僅依據(jù)某種（基于機理）分析判斷得出控制規(guī)律，就稱之為開環(huán)控制。種（基于機理）分析判斷得出控制規(guī)律，就稱之為開環(huán)控制。典型的開環(huán)控制是交通信號燈。它通過事先的調查研究，確典型的開環(huán)控制是交通信號燈。它通過事先的調查研究，確定主干道綠長紅短的控制規(guī)律。若實現(xiàn)閉環(huán)定主干道綠長紅短的控制規(guī)律。若實現(xiàn)閉環(huán)智能交通控制，智能交通控制，如何實現(xiàn)？如何實現(xiàn)？調節(jié)控制（調節(jié)控制（regulatory）與侍服控制（）與侍服控制（servo） Regulatory: 使輸出恒定在使輸出恒定在sp Serv

4、o: 使輸出跟隨使輸出跟隨sp控制系統(tǒng)的物理元件構成：控制系統(tǒng)的物理元件構成： 測量變送測量變送 控制器控制器 執(zhí)行器執(zhí)行器 輔助硬件（信號轉換器、輔助硬件（信號轉換器、AD-DA轉換器）轉換器） PIDPID控制器及算法控制器及算法 （1 1）比例控制）比例控制 比例系數(shù)比例系數(shù)KcKc增大，閉環(huán)系統(tǒng)的靈敏度增大，閉環(huán)系統(tǒng)的靈敏度增加，穩(wěn)態(tài)誤差（余差）減小，但系統(tǒng)振蕩增強；比增加，穩(wěn)態(tài)誤差（余差）減小，但系統(tǒng)振蕩增強；比例系數(shù)過大會導致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。例系數(shù)過大會導致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。（2 2）積分控制）積分控制 可以消除余差；積分作用太強會導可以消除余差；積分作用太強會導致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。致

5、閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。（3 3）微分控制）微分控制 減小閉環(huán)系統(tǒng)超調量、響應時間加快。減小閉環(huán)系統(tǒng)超調量、響應時間加快。離散離散PID算法：算法：)()()()(11kkDk”nndIkdctytytTtyyTttyyK-D+-D+-+-= u( tk )=u0 yd tk-1 tk以原油加熱爐為例，干擾以原油加熱爐為例，干擾導致導致TT*u0 tk-1 tk正作用控制器，氣開閥正作用控制器，氣開閥上次上次 =0時時的輸出的輸出瞬態(tài)量，至新的瞬態(tài)量，至新的 =0時為零時為零當新的當新的 =0到來后到來后 0n以以u0所處所處時刻為起點時刻為起點 (k)= (k) - (k-1)典型球閥示意圖典型球閥

6、示意圖Air(氣關氣關) Air(氣開氣開)氣關閥氣關閥流量測量通常采用節(jié)流裝置，流量測量通常采用節(jié)流裝置，包括孔板（包括孔板（Orifice plate）、噴嘴）、噴嘴(Nozzle)、文丘里管（、文丘里管（Venturi tube），其共同特點是通過，其共同特點是通過差壓差壓測取流量。測取流量。p2p1孔板直經(jīng)孔板直經(jīng): d管道內徑管道內徑: D關于流量與壓差的關系，根據(jù)關于流量與壓差的關系，根據(jù)ASME (2001)可知：可知： 質量流量質量流量 Gm= At（2 D Dp）1/2其中，其中， 為流體高壓區(qū)的密度（為流體高壓區(qū)的密度（kg/m3或或g/l）；）； D Dp 為流體為流體流

7、經(jīng)節(jié)流裝置形成的壓差；流經(jīng)節(jié)流裝置形成的壓差；At 為節(jié)流面積；為節(jié)流面積； 為流體體積為流體體積膨脹系數(shù)，對不可壓縮的液體或膨脹系數(shù)，對不可壓縮的液體或D Dp 不大的氣體，不大的氣體， =1，但，但當氣體當氣體D Dp 較大時，較大時， 1 ； 為流量系數(shù)，取值與為流量系數(shù)，取值與At , d/D及及流體的流動狀態(tài)流體的流動狀態(tài)(Re)有關。有關。對理想狀態(tài)下的氣體，高壓區(qū)有對理想狀態(tài)下的氣體，高壓區(qū)有p1V=nRT, 即有即有 =p1 M/ (RT), 因此，質量流量可以表述為：因此，質量流量可以表述為：Gm= At（2 D Dp）1/2= At2M/(RT) 1/2(p1 D Dp)1/2這與書中這與書中pp30表述的表述的 Gm=KKv(D Dp p )1/2顯然是等價的。顯然是等價的。另一方面，體積流量另一方面，體積流量Gv與與Gm的關系是的關