过程动态特性分析 谢磊 浙江大学智能系统与控制研究所

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复习 课程目标：系统+反馈 控制系统的目标 安全 质量 效益 PV, CV, SP, MV 方块图标准构成 课代表 微信群 QQ群

内容 过程特性分类 过程特性机理建模法 过程特性测试建模法 Summary

一般的反馈控制系统 控制器的设计目标 ? 控制系统的设计目标

被控过程动态特性的重要性 不同的被控过程具有不同的特性 很难改变广义的被控过程（除非替换测量与执行机构） 很容易改变控制器参数 控制工程师主要工作就是调整控制器使其适合被控过程 对于某一被控过程，最适合其特性的最简单的控制器是最好的控制器。

被控过程的分类 自衡过程/稳定对象 (1) 单容过程 (2) 多容过程 非自衡过程 例如：某些液位对象与某些放热反应器

被控过程举例#1 该被控过程是开环稳定的， 为什么 ?

被控过程举例#2 该被控过程是不稳定的， 为什么 ?

被控过程举例#3 该被控过程是否是稳定的， 为什么 ?

获取过程动态特性的途径 根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动态特性。 基于过程动态学的机理建模 根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动态特性。 基于过程数据的测试建模 为获取过程动态特性，手动改变某一被控过程的输入，同时记录过程输入输出数据；并基于过程数据建立输入与输出之间动态模型。

建模举例 #1（p. 28） 物料平衡方程： 出口流量与液位的关系： 问题讨论： 模型是非线性的。 学习的控制理论不能用，怎么办？ 稳态工作点的概念 线性化的概念 问题讨论： 如何采用SimuLink建立被控过程的仿真模型并设置初始运行状态?

建模举例 #2 对于该液位受控过程，选择h2 为 其被控变量（CV）， 并选取 Qi 为操作变量（MV），而Qd 为主要 干扰。各贮罐出口流量满足以下方程： 试建立该过程的动态方程以描述CV与MV、DV之间的关系，并构建Matlab/SimuLink 仿真模型。

单容过程举例 #1

单容过程举例 #2

单容过程举例 #3

多容过程举例 #4

描述过程特性的关键参数 过程增益（K） 过程一阶时间常数（T） 过程纯滞后时间（τ） 过程输出（响应输出）的变化量与过程输入（施加激励）的变化量的比值，即 过程一阶时间常数（T） 过程纯滞后时间（τ）

过程增益计算举例 #1

过程增益计算举例 #2

过程增益计算举例 #3

过程增益备注 过程增益描述了稳态条件下，过程输出对输入变量变化的灵敏度。 被控过程增益包括三部分：符号、数值与单位。 过程增益只涉及两个稳态，因此说过程增益反映了被控过程的静态或稳态特性。有时，也称“静态/稳态增益”。

过程一阶时间常数（T） 基本定义 对单容过程而言，过程一阶时间常数定义为 过程输出开始变化至达到全部变化的63.2%所需的时间.

过程纯滞后时间（τ） 基本定义 过程纯滞后时间定义为 过程输入施加激励至过程输出开始变化所需的时间.

关于过程特性参数 K, T,τ 这三个参数的取值描述了一个实际被控过程的基本特性，其中 K 反映静态特性，而T、τ 反映了过程的动态特性。 由于绝大多数工业过程为非线性对象，即使对于同一被控过程，上述参数也将随工况的变化而变化。 对象两时间参数的比值（τ/ T）直接关系到控制系统的可控性。τ/ T越大，控制难度越大。

多容过程数学模型的描述 多阶模型 二阶加纯滞后模型 一阶加纯滞后模型

实际工业过程的动态特性 绝大多数被控过程为自衡对象（除部分液位对象外），因此均可用上述特性参数描述。 所有被控过程均具有一定范围的纯滞后。 被控过程的阶跃响应经常是单调且缓慢的（响应时间通常为分级、部分流量对象为秒级） 由于被控过程的非线性，上述特性参数的取值通常与操作工况有关。

控制系统“广义对象”的概念 “广义对象” 包括控制回路中除控制器外的每一部分。它反映了控制器输出对CV测量输出的影响。

获取过程动态特性的途径 根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动态特性。 基于过程动态学的机理建模 根据某一被控过程的化学与物理机理，基于物料平衡、能量平衡与过程动力学等方程，来描述过程输入与输出之间的动态特性。 基于过程数据的测试建模 为获取过程动态特性，手动改变某一被控过程的输入，同时记录过程输入输出数据；并基于过程数据建立输入与输出之间动态模型。

广义对象的特性参数 广义对象过程增益（Kp） 过程时间常数（Tp） 过程纯滞后时间（τp） 传感变送器输出（即广义对象输出）的稳态变化量与控制器输出（即广义对象输入）的稳态变化量之比值 过程时间常数（Tp） 过程纯滞后时间（τp）

对象特性的阶跃响应测试法 借助于阶跃响应试验，获取过程输入输出CO（控制器输出）与TO （变送器输出）的动态响应数据。 (1) 将控制器改为“手动”操作模式； (2) 以阶跃方式，改变控制器输出； (3) 记录控制器输出与变送器输出响应数据。 基于过程测试数据，估计广义对象的特性参数

换热器温度控制系统的 开环阶跃响应

基于阶跃响应的特性参数计算

基于阶跃响应的特性参数计算 假设温度变送器的检测量程为 100 ~ 300 ℃，即变送器输出变化为 4%。则广义对象的增益为

小 结 过程工业中被控对象动态特性的特点 过程特性机理建模法 过程特性测试建模法 被控过程的特性参数 “广义对象”的概念，与如何基于过程阶跃响应来建立输入与输出之间动态模型。 被控过程的特性参数 自衡过程的三参数描述法，掌握过程特性参数的物理意义与估计方法

问题讨论与练习 对于某一对象特性未知的被控过程，相应的阶跃响应如下列仿真曲线给出。 试计算其广义对象的特性参数 K, T ,τ。