過程控制工程2.過程動態(tài)特性分析

過程動態(tài)特性建模與分析基本要求了解典型工業(yè)過程的動態(tài)特性類型；掌握簡單被控過程的機理建模方法；掌握“廣義對象”概念及其動態(tài)特性的典型測試方法。了解對象特性對系統(tǒng)的影響了解調節(jié)閥對系統(tǒng)性能的影響了解測量變送環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的影響單回路控制系統(tǒng)組成被控對象動態(tài)建模方法機理建模

原理：根據(jù)過程的工藝機理，寫出各種有關的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流體流動、傳熱、傳質等基本規(guī)律的運動方程，由此獲得被控對象的動態(tài)數(shù)學模型。

特點：概念明確、適用范圍寬，要求對該過程機理明確。測試建模

原理：對過程的輸入（包括控制變量與擾動變量）施加一定形式的激勵信號，如階躍、脈沖信號等，同時記錄相關的輸入輸出數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)進行處理，由此獲得對象的動態(tài)模型。

特點：無需深入了解過程機理，但適用范圍小，模型準確性有限。對象機理建模舉例

物料平衡方程：

流體運動方程：對象機理建模舉例

物料平衡方程：

流體運動方程：機理建模舉例：非自衡過程物料平衡方程：純滯后過程

調節(jié)器設定r輸出u閥門y重量純滯后過程：某些過程在輸出變量改變后，輸出變量并不立即改變，而要經(jīng)過一段時間才反應出來的過程。純滯后時間：在輸入變量變化后，看不到系統(tǒng)對其相應的這段時間τ。uyτ靜態(tài)增益和動態(tài)增益均為1。由它產(chǎn)生的相角，大小為Φ=-ωτ。過程控制廣義對象動態(tài)特性分類自衡過程

(1)無振蕩的自衡過程

(2)有振蕩的自衡過程非自衡過程

(1)無振蕩的非自衡過程

(2)有振蕩的非自衡過程

(3)具有反向特性的非自衡過程無振蕩自衡過程模型無振蕩非自衡過程模型具有反向特性的非自衡過程模型“廣義對象”動態(tài)特性的

階躍響應測試法*典型自衡工業(yè)對象的階躍響應對象的近似模型：對應參數(shù)見左圖，而增益為：[ymin,ymax]為CV的測量范圍；[umin,umax]為MV的變化范圍，對于閥位開度通常用0~100%表示。對象特性參數(shù)的確定假設溫度測量變送器的量程為200~400℃?！皬V義對象”的概念“廣義對象”的特點特點：（1）使控制系統(tǒng)的設計與分析簡化；（2）廣義對象的輸入輸出通?？蓽y量，以便于 測試其動態(tài)特性；（3）只關心某些特定的輸入輸出變量。工業(yè)過程控制對象的特點除液位對象外的大多數(shù)被控對象本身是穩(wěn)定自衡對象；對象動態(tài)特性存在不同程度的純遲延；對象的階躍響應通常為單調曲線，除流量對象外的被調量的變化相對緩慢；被控對象往往具有非線性、不確定性與時變等特性。對象特性對控制質量的影響

一、對象靜態(tài)特性分析（續(xù)）對于定值控制系統(tǒng)：R(S)=0根據(jù)終值定理，在單位階躍干擾輸入下：定值控制系統(tǒng)的余差為：一、對象靜態(tài)特性分析（續(xù)）結論：系統(tǒng)余差與對象的靜態(tài)特性有關；1.Kf對控制質量的影響

Kf

對系統(tǒng)靜態(tài)或動態(tài)控制質量都有害：對于靜態(tài)質量：Kf↓→e(∞)↓→質量↑對于動態(tài)質量：其最大偏差A等于Kf↑→A↑↑→動態(tài)控制質量↓一、對象靜態(tài)特性分析（續(xù)）2.Kp對控制質量的影響根據(jù)系統(tǒng)過渡過程余差、最大偏差這兩個質量指標表達式可見：系統(tǒng)靜態(tài)控制質量或動態(tài)控制質量都希望Kp

大些。

Kp

↑→控制作用靈敏，抑制干擾能力強。Kp在前項通道與Kc相串，調整Kc，在一定范圍內可補償Kp，達到控制過程Kp

Kc的最佳配合。Kp不能太大，超過一定界線造成靈敏度過高，會破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性。二、對象動態(tài)特性分析⒈干擾通道對控制質量的影響。

①對控制質量的影響

↑→濾波能力↑→干擾對被控變量的影響↓→超調量↓→控制質量↑。②對控制質量的影響

即干擾作用遲了一段時間，從理論上講不影響控制系統(tǒng)的質量。③干擾通道位置對控制質量的影響在可能的情況下，應使干擾輸入位置盡可能的遠離檢測點，向控制閥靠近。二、對象動態(tài)特性分析（續(xù)）⒉控制通道對控制質量的影響。

①對控制質量的影響

大小反應了系統(tǒng)動態(tài)過程控制作用的強弱。太大太小操作反應慢、控制作用弱、穩(wěn)定性好控制作用太靈敏、操作頻繁、易產(chǎn)生振蕩工藝上減小控制方案減小結論：⑴實際中希望小些，有利于快速克服擾動，縮短過渡過程時間。⑵通過優(yōu)化控制器積分時間或微分時間可減小對控制質量的影響。二、對象動態(tài)特性分析（續(xù)）

①對控制質量的影響

對象控制通道的時滯時影響系統(tǒng)控制質量的主要因素，在系統(tǒng)分析中時滯用進行系統(tǒng)質量評價，它反映了對系統(tǒng)質量相對影響的程度。必須采用時滯補償可以不采用時滯補償可以考慮采用時滯補償三、負荷變化對控制質量的影響系統(tǒng)對象的靜、動態(tài)特性參數(shù)都是在負荷工作點特定而言，一旦負荷發(fā)生變化，對象所有特性參數(shù)也將發(fā)生變化（包括控制器的PID參數(shù)整定），從而，控制質量變差。克服方法：①可采用串級或前饋控制系統(tǒng)，提高變負荷的自適應能力。②合理選擇控制閥的流量特性，利用控制閥增益KV隨負荷相應變化的原理進行增益補償，使變負荷對象有一定的自適應能力。第五節(jié)測量變送環(huán)節(jié)對控制質量的影響

一、概述測量變送環(huán)節(jié)的任務是對被控變量或其它有關參數(shù)作正確測量，并將它轉換成統(tǒng)一信號。如4~20mA.DC或0~10mA.DC或開關量信號。其信號除送給控制器作自動控制外，還可用于指示、記錄、數(shù)據(jù)累計、報警及聯(lián)鎖控制等。測量變送環(huán)節(jié)一般可用一階加純滯后特性表示即二、關于測量誤差測量誤差大致可分為三個方面：①儀表本身誤差：精度等級1.0、0.5、0.2量程越寬，絕對誤差越大。選擇儀表量程時應盡量選窄一些。②安裝不當引入誤差：例孔板、熱電偶。③測量的動態(tài)誤差：包括時滯和測量慣性滯后（解釋）。二、關于測量誤差（續(xù)）討論（關于測量慣性滯后）：當真實被控變量Y(t)分別作階躍變化、遞增變化、周期變化時Z(t)≠Y(t)Y(t)Y(t)Y(t)Z(t)Y(t)Y(t)tttZ(t)Z(t)Y(t)000以熱電偶為例Tm=1.5minTm=0.5minTm=0.1min二、關于測量誤差（續(xù)）討論：為提高質量，減小Tm的影響可采取以下措施：①選擇快速測量元件一般希望測量元件的時間常數(shù)應小于1/10控制通道時間常數(shù)，否則應引入微分環(huán)節(jié)加以校正。②引入微分環(huán)節(jié)二、關于測量誤差（續(xù)）當微分器放置在變送器輸出端時，系統(tǒng)如圖所示GC(s)GP

(s)e+_Gf(s)++R(s)F(s)Y(s)GD(s)GV(s)Gm(s)Z(s)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：測量值：設：二、關于測量誤差（續(xù)）討論：①調整TD實現(xiàn)反饋通道零極點抵消，即TD=Tm→Z(S)=Km.Y(S)≈Y(S)(∵Km≈1)②當微分器加在控制器輸出端，閉環(huán)傳遞函數(shù)不變，表明a:在定值控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制質量與微分器位置無關；b:對于隨動系統(tǒng)微分環(huán)節(jié)在變送器輸出端時的響應速度要比放置在控制器輸出端快。三、脈動信號的測量與變送脈動信號性質：可能是有規(guī)律的，也可能是無規(guī)律、雜亂無章的。（如活塞式壓縮機的出口壓力和往復泵的輸送液體時的流量）對控制質量影響：脈動信號對控制質量帶來不利影響。（因為周期性變化的脈動信號，當其平均值不變時，控制系統(tǒng)根本不需要工作，但控制器是按信號偏差工作的，脈動信號變化時，是控制器輸出亦呈周期性變化，控制閥不停的開大開小，顯然這種控制是徒勞無益的，系統(tǒng)還可能產(chǎn)生共振，從而加劇受控變量的波動，另外控制閥閥桿加速磨損，影響壽命。）采取措施：①調整測量儀表本身的阻尼系數(shù)；②控制儀表輸入加入濾波環(huán)節(jié)。第六節(jié)控制閥環(huán)節(jié)在控制系統(tǒng)中的考慮

一、氣動調節(jié)閥的結構u(t)：控制器輸出(4~20mA

或0~10mADC)；pc：調節(jié)閥氣動控制信號；(0.04~0.12MPa)l：閥桿相對位置；f：相對流通面積；q：受調節(jié)閥影響的管路相對流量。傳遞函數(shù)：二、控制閥的開、關形式選擇1.氣開閥與氣關閥*氣開閥：pc↑→f↑(“有氣則開”)*氣關閥：pc↑→f↓(“有氣則關”)無氣源(pc=0)時，氣開閥全關，氣關閥全開。2.氣開閥與氣關閥的選擇原則*若無氣源時，希望閥全關，則應選擇氣開閥；*若無氣源時，希望閥全開，則應選擇氣關閥。①主要考慮設備安全（如加熱爐瓦斯氣調節(jié)閥選氣開閥）②其次考慮介質性質（如：精餾塔塔釜加熱蒸汽控制閥如介質易結晶或易凝固選氣關閥；如事故時節(jié)約能源選氣開閥）③考慮減少經(jīng)濟損失，保證產(chǎn)品質量（如進料選氣開閥）三、控制閥的流量特性及其選擇部分概念最大流量Qmax：閥門全開時的流量。最小流量Qmin：是可調流量的下限值，它一般為最大流量的2~4%。泄漏量：是閥門全關時泄漏的量，它僅為最大流量的0.5~0.001%?？烧{比R:控制閥的最大流量與最小流量之比。R=Qmax/Qmin

一般國產(chǎn)控制閥R取30。三、控制閥的流量特性及其選擇（續(xù)）

⒈流量特性定義控制閥流量特性是指流體通過閥門的相對流量與相對開度之間的函數(shù)關系。如式:相對流量：即控制閥在某一開度下的流量與最大流量之比。相對開度：即控制閥在某一開度下的行程與全行程之比。三、控制閥的流量特性及其選擇（續(xù)）

⒉常用理想流量特性41231-快開；2-直線；3-拋物線；4-等百分比100806040200204060801003.3Q/Qmax

×100l/L×1002431控制閥理想流量特性曲線理想流量特性取決于閥芯形狀三、控制閥的流量特性及其選擇（續(xù)）⒉常用理想流量特性理想流量特性定義：主要是指閥的前、后壓差恒定時，流體通過閥門的流量與開度之間的關系。理想流量特性通用數(shù)學表達式為：

n=-1；快開n=0；直線n=1；等百分比n=1/2；拋物線討論：從控制作用講，系統(tǒng)關心的是相對流量百分比變化率。即：某點相對流量的變化量與該點相對流量的比值，記作q?？杀硎緸椋喝?、控制閥的流量特性及其選擇（續(xù)）⒉常用理想流量特性例如對于等百分比閥：微分

結論：等百分比控制閥最大的優(yōu)點是全行程范圍內線對流量的百分比變化率相同，控制的靈敏度在全行程內相同，所以操作過程平穩(wěn)，得到廣泛應用三、控制閥的流量特性及其選擇（續(xù)）⒊工作流量特性定義：工作流量特性（也稱安裝流量特性）是控制閥安裝在有阻力的管道上，由于通過控制閥流量變化而引起阻力變化，從而使得閥上壓降也發(fā)生相應的變化，這時的流量特性稱為工作流量特性。工作流量特性包括：①串聯(lián)管道中的工作流量特性；②并聯(lián)管道中的工作流量特性。閥阻比S：調節(jié)閥全開時的兩端壓降與系統(tǒng)總壓降之比，即：三、控制閥的流量特性及其選擇（續(xù)）①串聯(lián)管道中的工作流量特性三、控制閥的流量特性及其選擇（續(xù)）①串聯(lián)管道中的工作流量特性線性閥的特性變異等百分比閥的特性變異三、控制閥的流量特性及其選擇（續(xù)）①串聯(lián)管道中的工作流量特性線性閥的特性變異等百分比閥的特性變異三、控制閥的流量特性及其選擇（續(xù)）①串聯(lián)管道中的工作流量特性特性曲線發(fā)生畸變，畸變規(guī)律是：①S值越小，畸變越嚴重。線性閥接近快開特性，等百分比閥接近線性特性。②畸變后，最小流量Qmin不變，最大流量減小，使實際可調比Rff減小，實際可調比Rff與R之間的關系是：三、控制閥的流量特性及其選擇（續(xù)）②并聯(lián)管道中的工作流量特性控制閥實際應用中，一般都裝有手動旁路閥。起作用是：①控制系統(tǒng)失靈時，用手動旁路閥保證生產(chǎn)；②滿足特殊情況增加流量的需要。pSDepDΔpQAQBQ當QB=0→X=1；工作流量特性=理想流量特性。當QB↑→X↓→流量特性不變→

Qmin↑→

R↓設計要求X≥0.8三、控制閥的流量特性及其選擇（續(xù)）⒋流量特性選擇原則選擇原則：僅當對象特性近似線性而且閥阻比大于0.60以上（即調節(jié)閥兩端的壓差基本不變），才選擇線性閥，如液位控制系統(tǒng)；其他情況大都應選擇對數(shù)閥。熱平衡方程：Kp：控制通道增益四、控制閥口徑的選擇在正常工礦下，應保證控制閥工作于15%~85%?？刂崎y口徑選擇過小，控制閥可能運行到全開時的飽和非正常狀態(tài)，是系統(tǒng)處于暫時失控。控制閥口徑選擇過大，閥門經(jīng)常處于小開度，此時流體對閥芯、閥座沖蝕嚴重，同時閥芯由于受不平衡力的作用，用以產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，甚至控制失靈?？刂崎y口徑的選擇使用流通能力C值的正確計算來確定的。C值的定義為：閥前后壓差為0.1MPa，介質密度為1g/cm3時，每小時通過閥門的流體的重量流量T/h。結構形式：單通直座閥、直通雙座閥、角型閥、三通閥、隔膜閥、蝶閥、小流量閥、套筒閥等等。氣動調節(jié)閥的結構u(t)：控制器輸出(4~20mA

或0~10mADC)；pc：調節(jié)閥氣動控制信號；l：閥桿相對位置；f：相對流通面積；q：受調節(jié)閥影響的管路相對流量。閥門的“氣開”與“氣關”1.氣開閥與氣關閥*氣開閥：pc↑→f↑(“有氣則開”)*氣關閥：pc↑→f↓(“有氣則關”)無氣源(pc=0)時，氣開閥全關，氣關閥全開。2.氣開閥與氣關閥的選擇原則*若無氣源時，希望閥全關，則應選擇氣開閥，如加熱爐瓦斯氣調節(jié)閥；若無氣源時，希望閥全開，則應選擇氣關閥