第二章被控对象的特性
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过程装备控制技术及应用习题及参考答案第一章控制系统的基本概念1.什么叫生产过程自动化?生产过程自动化主要包含了哪些内容?答:利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。
主要包含:①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。
2.自动控制系统主要由哪几个环节组成?自动控制系统常用的术语有哪些?答:一个自动控制系统主要有两大部分组成:一部分是起控制作用的全套自动控制装置,包括测量仪表,变送器,控制仪表以及执行器等;另一部分是自动控制装置控制下的生产设备,即被控对象。
自动控制系统常用的术语有:被控变量y——被控对象内要求保持设定数值的工艺参数,即需要控制的工艺参数,如锅炉汽包的水位,反应温度;给定值(或设定值)ys——对应于生产过程中被控变量的期望值;测量值ym——由检测原件得到的被控变量的实际值;操纵变量(或控制变量)m——受控于调节阀,用以克服干扰影响,具体实现控制作用的变量称为操纵变量,是调节阀的输出信号;干扰f——引起被控变量偏离给定值的,除操纵变量以外的各种因素;偏差信号(e)——被控变量的实际值与给定值之差,即e=ym - ys控制信号u——控制器将偏差按一定规律计算得到的量。
3.什么是自动控制系统的方框图?它与工艺流程图有什么不同?答:自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线(带有箭头的线段)、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。
其中每一个分块代表系统中的一个组成部分,方块内填入表示其自身特性的数学表达式;方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。
采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系,以便对系统特性进行分析和研究。
而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号,表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接,借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程,即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。
⾃动控制原理第⼆章复习总结(第⼆版)第⼆章过程装备控制基础本章内容:简单过程控制系统的设计复杂控制系统的结构、特点及应⽤。
第⼀节被控对象的特性⼀、被控对象的数学描述(⼀)单容液位对象1.有⾃衡特性的单容对象2.⽆⾃衡特性的单容对象(⼆)双容液位对象1.典型结构:双容⽔槽如图2-5所⽰。
图2-5 双容液位对象图2-6 ⼆阶对象特性曲线2.平衡关系:⽔槽1的动态平衡关系为:3.⼆阶被控对象:1222122221)(Q K h dt dh T T dt h d T T ?=+++式(2-18)就是描述图2-5所⽰双容⽔槽被控对象的⼆阶微分⽅程式。
称⼆阶被控对象。
⼆、被控对象的特性参数(⼀)放⼤系数K(⼜称静态增益)(⼆)时间常数T(三)滞后时间τ(1).传递滞后τ0(或纯滞后):(2).容量滞后τc可知τ=τ0+τc。
三、对象特性的实验测定对象特性的求取⽅法通常有两种:1.数学⽅法2.实验测定法(⼀)响应曲线法:(⼆)脉冲响应法第⼆节单回路控制系统定义:(⼜称简单控制系统),是指由⼀个被控对象、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、单回路控制系统的设计设计步骤:1.了解被控对象2.了解被控对象的动静态特性及⼯艺过程、设备等3.确定控制⽅案4.整定调节器的参数(⼀)被控变量的选择(⼆)操纵变量的选择(三)检测变送环节的影响(四)执⾏器的影响⼆、调节器的调节规律1.概念调节器的输出信号随输⼊信号变化的规律。
2.类型位式、⽐例、积分、微分。
(⼀)位式调节规律1.双位调节2.具有中间区的双位调节3.其他三位或更多位的调节。
(⼆)⽐例调节规律(P )1.⽐例放⼤倍数(K )2.⽐例度δ3.⽐例度对过渡过程的影响(如图2-24所⽰)4.调节作⽤⽐例调节能较为迅速地克服⼲扰的影响,使系统很快地稳定下来。
通常适⽤于⼲扰少扰动幅度⼩、符合变化不⼤、滞后较⼩或者控制精度要求不⾼的场合。
(三)⽐例积分调节规律(PI )1.积分调节规律(I )(1)概念:调节器输出信号的变化量与输⼊偏差的积分成正⽐==?t I t I dt t e T dt t e K t u 00)(1)()(式中:K I 为积分速度,T I 为积分时间。
第二章被控对象的数学模型主要研究内容:⏹化工过程的特点及其描述方法⏹对象数学模型的建立(建模)•建模目的•机理建模•实验建模⏹描述对象特性的参数•放大系数Κ•时间常数Τ•滞后时间τ第二章被控对象的数学模型⏹控制效果取决于控制对象(内因)和控制系统(外因)两个方面。
外因只有通过内因起作用,内因是最终效果的决定因素。
⏹设计控制系统的前提是:正确掌握工艺系统、控制作用(输入)与控制结果(输出)之间的关系——对象的特性。
自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、控制器和执行器组成。
研究对象的特性,就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系。
建立对象特性的数学描述就称为建立对象的数学模型(建模)。
第二章被控对象的数学模型对象的数学模型分为静态数学模型和动态数学模型。
静态数学模型动态数学模型基础特例对象在稳定时(静态)输入与输出关系;在输入量改变以后输出量跟随变化的规律;•比较与区别:动态数学模型是更精确的模型,静态数学模型是动态数学模型在对象达到平衡时的特例。
一、化工对象的特点⏹被控对象常见种类:换热器、锅炉、精馏塔、化学反应器、贮液槽罐、加热炉等⏹1. 对控制质量影响程度相差大(内因决定外因);⏹2. 类型繁多,特性相差悬殊;⏹3. 非线性、分布参数较多;第二章被控对象的数学模型§2.1 化工对象的特点及其描述方法二、对象特性定义⏹对象特性,即过程特性:指被控过程输入量发生变化时,过程输出量的变化规律。
⏹输入量:干扰作用、控制作用。
⏹输出量:被控参数。
⏹数学建模——就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系。
⏹通道:被控过程的输入量与输出量间的信号联系。
⏹控制通道-----操纵变量至被控变量的信号联系.⏹扰动通道-----扰动变量至被控变量的信号联系.被控变量(输出量)扰动变量(输入量)操纵变量(输入量)数学模型的描述方法:1. 非参量模型:用曲线、数据图表表示的系统输入与输出量之间的关系;非参量模型可以通过记录实验结果来得到,有时也可以通过计算来得到,它的特点是形象、清晰,比较容易看出其定性的特征。
过程控制系统第二章(对象特性)习题2-1.什么是被控过程的数学模型?2-1解答:被控过程的数学模型是描述被控过程在输入(控制输入与扰动输入)作用下,其状态和输出(被控参数)变化的数学表达式。
2-2.建立被控过程数学模型的目的是什么?过程控制对数学模型有什么要求?2-2解答:1)目的:○1设计过程控制系统及整定控制参数;○2指导生产工艺及其设备的设计与操作;○3对被控过程进行仿真研究;○4培训运行操作人员;○5工业过程的故障检测与诊断。
2)要求:总的原则一是尽量简单,二是正确可靠。
阶次一般不高于三阶,大量采用具有纯滞后的一阶和二阶模型,最常用的是带纯滞后的一阶形式。
2-2.简述建立对象的数学模型两种主要方法。
2-2解答:一是机理分析法。
机理分析法是通过对对象内部运动机理的分析,根据对象中物理或化学变化的规律(比如三大守恒定律等),在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。
通过这种方法得到的数学模型称之为机理模型,它们的表现形式往往是微分方程或代数方程。
二是实验测取法。
实验测取法是在所要研究的对象上,人为施加一定的输入作用,然后,用仪器测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律,即得到一系列实验数据或实验曲线。
然后对这些数据或曲线进行必要的数据处理,求取对象的特性参数,进而得到对象的数学模型。
5-12 何为测试法建模?它有什么特点?2-3解答:1)是根据工业过程输入、输出的实测数据进行某种数学处理后得到数学模型。
2)可以在不十分清楚内部机理的情况下,把被研究的对象视为一个黑匣子,完全通过外部测试来描述它的特性。
2-3.描述简单对象特性的参数有哪些?各有何物理意义?2-3解答:描述对象特性的参数分别是放大系数K 、时间常数T 、滞后时间τ。
放大系数K 放大系数K 在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变 化量之比,即输入的变化量输出的变化量=K 由于放大系数K 反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系,所以放大系数是描述对象静态特性的参数。
过程控制系统第二章(对象特性)习题2-1.什么是被控过程的数学模型?2-1解答:被控过程的数学模型是描述被控过程在输入(控制输入与扰动输入)作用下,其状态和输出(被控参数)变化的数学表达式。
2-2.建立被控过程数学模型的目的是什么?过程控制对数学模型有什么要求?2-2解答:1)目的:○1设计过程控制系统及整定控制参数;○2指导生产工艺及其设备的设计与操作;○3对被控过程进行仿真研究;○4培训运行操作人员;○5工业过程的故障检测与诊断。
2)要求:总的原则一是尽量简单,二是正确可靠。
阶次一般不高于三阶,大量采用具有纯滞后的一阶和二阶模型,最常用的是带纯滞后的一阶形式。
2-2.简述建立对象的数学模型两种主要方法。
2-2解答:一是机理分析法。
机理分析法是通过对对象内部运动机理的分析,根据对象中物理或化学变化的规律(比如三大守恒定律等),在忽略一些次要因素或做出一些近似处理后推导出的对象特性方程。
通过这种方法得到的数学模型称之为机理模型,它们的表现形式往往是微分方程或代数方程。
二是实验测取法。
实验测取法是在所要研究的对象上,人为施加一定的输入作用,然后,用仪器测取并记录表征对象特性的物理量随时间变化的规律,即得到一系列实验数据或实验曲线。
然后对这些数据或曲线进行必要的数据处理,求取对象的特性参数,进而得到对象的数学模型。
5-12 何为测试法建模?它有什么特点?2-3解答:1)是根据工业过程输入、输出的实测数据进行某种数学处理后得到数学模型。
2)可以在不十分清楚内部机理的情况下,把被研究的对象视为一个黑匣子,完全通过外部测试来描述它的特性。
2-3.描述简单对象特性的参数有哪些?各有何物理意义?2-3解答:描述对象特性的参数分别是放大系数K 、时间常数T 、滞后时间τ。
放大系数K 放大系数K 在数值上等于对象处于稳定状态时输出的变化量与输入的变 化量之比,即输入的变化量输出的变化量=K 由于放大系数K 反映的是对象处于稳定状态下的输出和输入之间的关系,所以放大系数是描述对象静态特性的参数。
第二章过程装备控制基础
1.什么是被控对象的特性?表征被控对象特征的参数有哪些?它们的物理意义是什么?答:被控对象的特性是指当被控对象的输入变量发生变化时,其输出变量随时间的变化规律。
表征被控对象特征的参数有放大系数K、时间常数T、滞后时间.。
其中放大系数K是指被控对象重新达到平衡状态时的输出变化量与输入变化量之比;时间常数T反映被控对象受到输入作用后,输出变量达到新稳态值的快慢,它决定整个动态过程的长短;滞后时间.是描述对象滞后现象的动态参数。
5试从图2-67某对象的反应曲线中,表示出该对象的放大系数、时间常数和滞后时间? 答:对于图2-67,放大系数:K = AH/.9vi,时间常数:在反应曲线上找到输出量变化至终值63.2%时的坐标点,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。
滞后时间:为0。
11.试画出在阶跃输入作用下,比例、比例积分、比例积分微分调节器的输出特性曲线。
答:阶跃输入:
0 ------------ -------
题2-11图(1)阶跃输入比例调节器输出:
少I
0 ------------ -------
题2-11图(2)比例调节器比例积分调节器输出:
题2-11图(3)比例积分调节器
比例积分微分调节器输出:
t。