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3控制对象的动态特性

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控制对象的动态特性

控制对象的动态特性

h 2(t)K 0 1T 1T 1T 2eT t1T 1T 2T 2eT t2
双容有自平衡对象原理方框图
μ
Q0
1 h1 1
Kμ
_ F1S
R1
Q1
自平衡单容对象
1
h2
F 2S
1 R2
自平衡单容对象
2．传递函数
说 明：
❖ 双容水槽对象是二阶惯性环节，它是两个一阶惯 性环节串联而成,没有负载效应。
热工对象
第一节 概述（续）
研究对象的动态特性 实质是建立对象的数学模型， 即用数学方程描述对象各变量之间的关系。
理论建模：
基于基本的物理、化学定律和工艺参数， 推导被控对象数学模型
试验建模：
在运行条件下通过实验方法来获取
第二节 单容被控对象的动态特性
单容被控对象：
是指只有一个贮存物质或能量的容积。这 种对象用一阶微分方程式来描述。单容被控对 象可分为有自平衡单容对象和无自平衡单容对 象两大类 。
1．阶跃响应
起始的工况 ：h＝h0，Q1＝Q10= Q2＝Q20 在t＝t0时刻 ：
控制阀阶跃开大Δμ0
流入量Q1按比例增加ΔQ1， ΔQ2＝ 0
ΔQ＝ΔQ1－ΔQ2＝ΔQ1为一常 数
水槽液位等速(直线)上升
1．阶跃响应
0
t0
Q
0
t
Q1
0
t0
Q
0 t
Q1
Q 10 Q 20
t0
h
Ta
h0
0
t0
t Q 2 t Q 10 Q 20 0 h
3．特征参数
(2)飞升速度ε
dh dt
t0
K
1
0 F Ta
第三章控制对象的动态特性习题与参考解答

第三章控制对象的动态特性习题与参考解答

第三章控制对象的动态特性习题与参考解答3-1 什么是自衡特性？具有自衡特性被控过程的系统框图有什么特点？1）在扰动作用破坏其平衡工况后，被控过程在没有外部干预的情况下自动恢复平衡的特性，称为自衡特性。

2）被控过程输出对扰动存在负反馈。

3-2 什么是单容过程和多容过程？1）单容：只有一个储蓄容量。

2）多容：有一个以上储蓄容量。

3-3 什么是控制通道和扰动通道(干扰通道)?对于不同的通道，对象的特性参数(K、T、τ)对控制有什么不同的影响?对于一个被控对象来说，输入量是扰动量和操纵变量，而输出是被控变量。

由对象的输入变量至输出变量的信号联系称为通道。

操纵变量至被控变量的信号联系称为控制通道；扰动量至被控变量的信号联系称为扰动通道。

一般来说，对于不同的通道，对象的特性参数(K、T、τ)对控制作用的影响是不同的。

对于控制通道：放大系数K大，操纵变量的变化对被控变量的影响就大，即控制作用对扰动的补偿能力强，余差也小；放大系数K小，控制作用的影响不显著，被控变量的变化缓慢。

但K太大，会使控制作用对被控变量的影响过强，使系统的稳定性下降。

在相同的控制作用下，时间常数T大，则被控变量的变化比较缓慢，此时对象比较平稳，容易进行控制，但过渡过程时间较长；若时间常数T小，则被控变量变化速度快，不易控制。

时间常数太大或太小，在控制上都将存在一定困难，因此，需根据实际情况适中考虑。

滞后时间τ的存在，使得控制作用总是落后于被控变量的变化，造成被控变量的最大偏差增大，控制质量下降。

因此，应尽量减小滞后时间τ。

对于扰动通道：放大系数K大对控制不利，因为，当扰动频繁出现且幅度较大时，被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数K小，既使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。

时间常数T大，扰动作用比较平缓，被控变量变化较平稳，对象较易控制。

纯滞后的存在，相当于将扰动推迟τ0时间才进入系统，并不影响控制系统的品质；而容量滞后的存在，则将使阶跃扰动的影响趋于缓和，被控变量的变化相应也缓和些，因此，对系统是有利的。

过程控制与集散系统课后习题答案

过程控制与集散系统课后习题答案

rty y )(∞y t y图1.3 过程控制系统阶跃响应曲线1-1过程控制系统中有哪些类型的被控量温度、压力、流量、液位、物位、物性、成分1-2过控系统有哪些基本单元构成，与运动控制系统有无区别被控过程或对象、用于生产过程参数检测的检测仪表和变送仪表、控制器、执行机构、报警保护盒连锁等其他部件过程控制，是一种大系统控制，控制对象比较多，可以想象为过程控制是对一条生1-4衰减比和衰减率 衰减比等于两个相邻同向波峰值之比。

衡量振荡过程衰减程度的指标。

衰减率是经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。

衡量振荡过程衰减程度的另一种指标。

一般希望过程控制系统的衰减比η=4:1～10:1,相当于衰减率Ψ=0.75到0.9。

若衰减率Ψ =0.75,大约振荡两个波系统进入稳态。

1-5最大动态偏差和超调量有何异同最大动态偏差是指在阶跃响应中，被控参数偏离其最终稳态值的最大偏差量，表现在过渡 过程开始的第一个波峰（y1）。

最大动态偏差是衡量过程控制系统动态准确性的指标。

超调量为最大动态偏差占被控量稳态值的百分比。

余差是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值与设定值的差值。

余差是过程控制系统稳态准确性的衡量指标。

调节时间ts 是从过渡过程开始到结束的时间。

理论上应该为无限长。

一般认为当被控量进入其稳态值的5%范围内所需时间 就是调节时间.调节时间是过程控制系统快速性的指标。

振荡频率β是振荡周期的倒数。

在同样的振荡频率下，衰减比越大则调节时间越短；当衰减比相同时，则振荡 频率越高，调节时间越短。

振荡频率在一定程度上也可作为衡量过程控 制系统快速性的指标。

过程控制的目标 安全性 稳定性 经济性过程工业的特点 强调实时性和整体性/全局优化的重要性/安全性要求过程控制系统的特点 / 被控过程的多样性 / 控制方案的多样性/被控过程属慢过程、多参数控制/定值控制/过程控制多种分类方法 过程控制系统的性能指标/稳定性、准确性/快速性2-1什么是对象的动态特性，为什么要研究它研究对象特性通常以某种形式的扰动输入对象，引起对象输出发生相应的变化，这种变化在时域或者频域上用微分方程或者传递函数进行描述，称为对象的动态特性。

自动控制的基本知识

自动控制的基本知识


七、调节过程的品质指标 调节过度过程： 1）等幅振荡 2）扩散振荡 3）衰减振荡 4）非周期过程
1。稳定性：衰减率
Ψ愈大，越稳定。 Ψ=0.75~0.98
2.准确性：准确性是指被控量的偏差大小，它包括动态偏差yM和 静态(稳态)偏差yK 动态偏差:在控制过程中，被控量与给定值之间的最大偏差称为动态偏差. 静态偏差:在控制过程结束后，被控量的稳态值y∞与给定值yg之间的残余
只包含一个容积
单容对象是最简单的热工调节对象，电厂热工生产过程中 许多储水容器，如除氧器、加热器、凝汽器等。
2）多容对象
包含两个或以上容积
（1）有自平衡能力的多容对象： 可用一个迟延时间为τ的纯迟延环节和个时间常数为Tc的惯性环节 近似。
（2）无自平衡能力的多容对象： 可用一个迟延时间为τ的纯迟延环节和一个积分环节近似。
3。阶跃响应特性：比较直观 在阶跃输入信号的作用下，系统的输出特性。 突然的扰动。 在电厂生产过程中，有许多输入信号近似于阶跃信号， 如负荷突然变化，阀门、挡板的开与关等。只要生产 过程允许，一般也比较容易通过控制机构(如控制阀 门)或扰动机构造成一个阶跃输入扰动。所以常在现 场用阶跃响应试验来检验控制系统的工作性能。
3。比例带δ对调节过程的影响
比例带： 3。比例带δ对调节过程的影响
比例带δ 小：调节作用强；
比例带δ太小：调节阀动作过频繁，不稳定。
二、积分调节规律调节器（P）
1。积分规律调节器的动态特性
U (S ) 1 WI ( S ) KP E (S ) Ti s 式中 Si——称为积分规律调节器的积分速度； Ti，——积分时间，习惯上多用积分时间来表示被调量偏差 积累的快慢。 Ti 越小表示偏差积累越快，积分作用越强。Ti是积分规律调节 器的整定参数。
过程控制3

过程控制3


设水槽的截面积为A ① Qi0= Qo0时，系统处于平衡状态，即静态。 这时液位稳定在ho ② 假定某一时刻，控制阀突然开大∆x，则Qi突 然增大，不再等于Qo，于是h也就开始变化。 Qi与Qo之差被囤积在水槽中，造成液位上升。 即：
(Qi Qo )dt Ad h
Qi k x x h Qo R0
TS H(S) + H(S) = KX(S)
H (s) K X ( s ) Ts 1
在过程控制中，分析各种对象动态特性最常用 的方式是阶跃信号输入时的响应。可以用突然加大 控制阀的开度，施加阶跃扰动。
输入量x作一阶跃变化Δx时 1 H ( s) K X (s) s X ( s) Ts 1 则
T R1 A1
A2 Ta kx
若对象含有纯滞后 W (s) H (s)
X ( s)
1 e 0 s Ta s(Ts 1)
对于无自平衡能力的n阶等容对象:
K W (S ) Ta s(Ts 1) n
若对象含有纯滞后
K W (S ) e 0 s Ta s(Ts 1) n
②具有纯滞后的一阶对象
y () y (0) y () a.静态放大系数K: K x x
b.时间常数T：被控量y(t)以相对值表示
Ke s Wo ( s ) Ts 1
y0 (t ) y(t ) / y()
则阶跃作用下
0 t y0 (t ) 1 e(t )/T t
第三节
时域法辨识对象的动态特性
一、阶跃响应曲线的测定 1.阶跃扰动法 当对象处于稳态时， 对输入量施加一个阶跃扰 动（如将阀门开大），并 保持不变，测定其输出量 随时间而变化的曲线（数 据），即阶跃响应曲线。
第3章 控制对象的特性

第3章 控制对象的特性


3、纯滞后时间τ
0：
（1）何谓纯滞后？ 被控量变化落后于输入量变化发生 时刻的现象称为对象的纯滞后。 （2）产生纯滞后的原因： a）调节阀离调节对象太远。 b）被控参数的测量点离调节器太远。 （3）纯滞后对控制系统的影响： 稳定性 动态偏差 调节时间
§3—2多容控制对象的动态特性
一、双容水柜控制对象的阶跃响应曲线：
（3）求取容量滞后时间τ c的方法：
（4） τ c对系统过渡过程的影响： 稳定性 动态偏 调节时间
三、滞后时间τ ：
滞后时间τ = 纯滞后时间τ 0+容量滞后时间 τc 总之： 单容控制对象的特性参数为 K、T、τ 0 多容控制对象的特性参数为 K、T、τ
§3-3 控制对象的自平衡能力：
一、何谓自平衡特性？ 控制对象受到输入作用平衡被破坏后，不 需要外来的调节作用而依靠被控量自身的变化使 对象重新恢复平衡的特性称为对象的自平衡特性。 输入作用的变化量 二、自平衡率 ： 被控量的变化量
（4）T的大小说明被调参数达到新稳态值所需时 间的长短，是表征对象惯性大小的动态特性参数。 下图中 ：T1<T2<T3<T4
(5)影响时间常数T长、短的因素： a）容量系数C： 容量：对象贮存能量或工质的能力称为容量。 例如单容水柜的容量v=A×h 容量系数C：被控量变化一个单位时，对象容 量的改变量。 C=dv/dh=d（ A×h ）/dh=A dv=C ×dh ，可见相同的被控量变化， C大，对象贮存能力大，C小，对象贮存能力小。
2、时间常数T：
（1）何为控制对象的惯性？ 被控量的变化总是落后于输入作用的变化。 （2）T的物理意义： a）在给定阶跃信号作用下，被调参数以初始 变化速度一直变化到新稳态值所需的时间。 b）控制对象受到阶跃信号后，被控参数变化 到新稳态值 的63.2%所需的时间。 （3）T 的几何意义： 以初始斜率为斜率作切线与新稳态值的交 点所对应的时间。
被控对象动态特性总结

被控对象动态特性总结

第十二章 被控对象动态特性
本章重点：了解对象特性及描述方法、描述对象特性的参数等内容 。
给定值 偏差
Sv
+ -
Dev
Pv
测量值
操纵值
控制器
调节阀
Mv
干扰 D
操纵变量 被控对象
q
测量变送器
被控变量 y
被控对象是指自动控制系统中所要控制的工艺生产设备。
生产过程中常见的被控对象有各类传热设备，如换热器、加热炉、 锅炉；流体输送设备，如泵、压缩机、管道；传质设备，如精馏塔；以 及反应器等。
第一节 对象特性及描述方法
二 对象特性的描述方法 建立对象数学模型的基本方法有机理法和测试法。
（一）机理法
用机理法建模就是根据生产过程的内在机理，写出各种有关的平衡方程 如：物料平衡方程、能量平衡方程、动量平衡方程、相平衡方程等，推 导出代表对象动态特性的微分方程。
对复杂对象的机理法建模需要进行合理的假设与简化。
温度对象的时间常数T比较大。
第二节 描述对象特性的参数
由前面的推导过程知： T AR2 ，A为储槽的截面积，代表其容量大 小，R2为阀的阻力系数，即时间常数与对象的液容与液阻有关，也是由
对象本身的特性决定的。
因此，时间常数T反映了对象容量滞后的大小。
生产过程中有各种各样的对象，大部分可用放大系数K与时间常数T描
态值时，相应输出变化就大，则反应就灵敏。
由于K与输出变化过程无关，而只与过程的稳态值有关，故它是表征对
象静态特性的一个特性参数。
放大系数K的大小是由对象本身的特性确定的。
第二节 描述对象特性的参数 Q1 B
dh T dt h KQ1
0
h
（a)
第3章 控制对象的特性

第3章 控制对象的特性


C）容量系数C对控制对象时间常数的影响： 容量系数C对控制对象时间常数的影响： 若有两个单容水柜，底面积分别为A 若有两个单容水柜，底面积分别为 1和A2， 且 A2 > A 1 。 所以T 因为 T1=A1×R，T2=A2×R，所以T2>T1。 t=0： 当t=0：
dh(t) dt
=
K *∆µ T
第三章 控制对象的特性
（1）何谓控制对象的特性？ 何谓控制对象的特性？ 是指对象在受到干扰作用或调节作用 被控参数是如何变化的， 后，被控参数是如何变化的，变化的快慢 及最终变化的数值。 及最终变化的数值。 何谓控制对象的输入、输出量？ （2）何谓控制对象的输入、输出量？ 干扰作用和调节作用为对象的输入量； 干扰作用和调节作用为对象的输入量； 被控参数为对象的输出量。 被控参数为对象的输出量。 干扰作用 被控参数 干扰通道 调节作用 被控参数 调节通道
（3）求取容量滞后时间τc的方法：
对系统过渡过程的影响： （4） τc对系统过渡过程的影响： 稳定性 动态偏 调节时间 三、滞后时间τ： 滞后时间τ
滞后时间τ= 纯滞后时间τ 滞后时间τ= 纯滞后时间τ0+容量滞后时 间τc 总之： 总之： 单容控制对象的特性参数为 K、T、τ0 多容控制对象的特性参数为 K、T、τ
（3）单容控制对象：只有一个储蓄容积的 单容控制对象： 控制对象 控制对象。 控制对象。其动态特性可用一阶微分方程式 表示。 表示。 多容控制对象 控制对象： 多容控制对象：有两个或两个以上 储蓄容积的控制对象。 储蓄容积的控制对象。其动态特性需用二阶 或二阶以上微分方程来表述。 或二阶以上微分方程来表述。
D）阻力系数对控制对象时间常数的影响： 阻力系数对控制对象时间常数的影响： 若有两个底面积相同的单容水柜 A1=A2）， （A1=A2）， >R2， R1， 但 R1 >R2，T1=A1 × R1，T2=A2 × R2 则 T1 >T2 * * * t=0： dt 当t=0： dh(t) = K * ∆ µ = K µ R R A∆ µ = K µ A∆ µ T * h（∞）= K×△u=Ku×R×△u K×△u=Ku× ×△u ×△u=Ku 可见：阻力系数越大，时间常数越大； 可见：阻力系数越大，时间常数越大； 阻力系数变，被控量初始变化速度不变； 阻力系数变，被控量初始变化速度不变； 阻力系数变，被控量稳态值变化。 阻力系数变，被控量稳态值变化。
热工仪表及自动控制系统的基本知识

热工仪表及自动控制系统的基本知识


一个实例： 要求水温控制为40℃， 调节手段为冷、热水 门。 调节对象、被调量、 给定值、内扰、外扰？
另一个实例：
用术语描述的自动调节过程： 自动调节系统受到外扰的作用， 使被调量偏离了给定值，测 量部件检测到两者的偏差， 通过调节器的调节作用，产 生一个相应的内扰，用来平 衡外扰，并使被调量恢复到 给定值，达到新的动态平衡， 调节过程结束。
二、传递函数 传递函数是在用拉氏变换求解常系数线性微分 方程的过程中引申出来的概念。 传递函数的定义：在零初始条件下，输出信号 的像函数y(S)与输入信号的像函数X(S)之比称 为该环节或系统的传递函数。即 对上述两个微分方程求解其 传递函数为：
三、阶跃响应曲线
阶跃响应曲线比微分方程和传递函数更能够对
根据各类仪表的设计、制造质量不同，国家 对每种仪表均规定了基本误差的最大允许值， 即允许误差。它可用绝对误差来表示，也可 以用引用误差来表示。
3、准确度等级： 仪表的准确度等级在数值上等于允许误差 去掉百分号后的绝对值。国家规定的准确 度等级系列有0.005，0.01，0.04，0.05， 0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0，5.0 等级别。数值越小，准确度越高。通常准
2、随机误差 随机误差是指在相同条件下多次测量同一 被测量时产生的绝对值和符号不可预知的 随机变化着的误差，又称偶然误差。 大多数随机误差服从正态分布规律，因此 可用求取算术平均值的方法予以消除随机 误差。
3、粗大误差 粗大误差是指由于操作人员的操作错误、 粗心大意及仪表的误动作等原因而造成的 误差，也称为疏失误差。即明显歪曲事实 的误差，称为粗大误差。 粗大误差通常表现为数值较大且无任何规 律，含粗大误差的测量值称为坏值，应当 剔除。为避免测量结果出现粗大误差，要 求操作人员在测量过程中避免失误。
第三章控制对象的动态特性

第三章控制对象的动态特性

到平衡态的能力。
自平衡率： 1
R
若将出口阀关死，则 0
没有自平衡能力。
1 Q1+ΔQ
Δh
Fh
2
Q2 +ΔQ
END
ST
3 纯延迟
纯迟延（τ）：由于传输距离导致被控量的变化比控制量的 变化所落后的时间长度。
1 Q1
Fh
2 Q2
ST
3 纯延迟
u Δu
0
t
h
0τ
t
ST
3 纯延迟
实际的控制对象往往存在纯迟延，通常将其视作由一个 独立的环节，即纯迟延环节，它与控制对象相串联。
ST
4 单容控制对象的数学模型
单容控制对象的阶跃响应
设
0
则
M (s)
0
s
H (s) G(s) M (s) K 0
Ts 1 s
K0
(
1 s
s
1 1/T
)
o
h
K 0
t
h(t) K 0(1 et /T )
o
t
ST
4 单容控制对象的数学模型
放大系数K和时间常数T
h(t) K 0(1 et /T )
现象2：
1 Q1+ΔQ
Δh
Fh
加大给水量Q1，导致液位h上升。 原因：存在阻力。 同时，液位h上升又将克服阻 力，使Q2增大，直至Q2 =Q1 。 为使流量增大ΔQ ，阻力越大， 2 所需增加的Δh也越大。
Q2 +ΔQ
ST
1 容量系数与阻力系数
阻力系数（R）：推动物质或能量运动的动力与因此而产生 的物质或能量的流量之比。
1 容量系数与阻力系数
容量系数（C）：被控量变化一个单位时对象所容纳的物质 或能量的变化量。
第2章 控制对象的动态特性

第2章 控制对象的动态特性


1
dh dt t 0
dh ( )max / 0 dt K 0 T K 0 0 T

能源与动力工程学院
小 结
综上所述，有自平衡能力的单容被控对象的动态特 性可以用两组4个参数描述，它们之间的关系为：
K 0 1 K 时间常数：T＝ dh dt t 0 h 1 放大系数：K 0 0 1 自平衡率：＝ h ＝ K dh K dt 飞升速度：＝ max 0 T
h t
K 0 F
t
（2-4）
能源与动力工程学院 2、特征参数 （1）飞升速度ε 飞升速度是指在单位阶跃扰动作用下，被控对象输出端被控量 的最大变化速度，根据定义可得：
dh K dt t 0 1 0 F Ta
（2）自平衡率ρ
因此飞升时间越大，被控量的变 化速度和系统的反应时间越慢。
t T
能源与动力工程学院
由上式可知，在t＝0时水位h的变化速度最快，代入可得：
K 0 h dh dt t 0 T T
在t＝0时水位h的变化速度等于图中响应曲线起始点切线 的斜率，因此当被控对象的输入端控制量产生阶跃变化后，输 出的被控量保持初始速度达到稳态值所需的时间即为时间常数 T。 当t＝3T时：
系统的输入量为输出量为主水槽水位h能源与动力工程学院1阶跃响应有自平衡双容水槽被控对象阶跃响应曲线能源与动力工程学院有自平衡双容水槽被控对象方框图2传递函数前置水槽主水槽25有自平衡双容水槽被控对象传递函数两个一阶惯性的串联双容对象放大系数前置水槽时间常数主水槽时间常数标准化
能源与动力工程学院
第二章 热工对象动态特性
1、阶跃响应与传递函数

第三章 控制对象的动态特性


t = t 0 时刻控制阀 Ｖ１ 的开度突然增大 ∆µ 0 ，流入水量在同一 µ 时刻也有相应的增量 ∆Q1 ，如果没有传递时延，将直接流入 水箱，这时水箱水位在 t 0 时刻即开始变化，其过渡过程曲线
如图 ３－４ 上曲线 １ 所示。 但由于在进水阀与水箱之间存在着管路， ∆Q1 必需经
∆µ 0
0
t0 t
1 2
过一段时间才能进入水箱，所以水位 h 将延迟到 t1 时刻才开 始变化，如图 ３－４ 上曲线 ２ 所示，其中τ 是传递时延时间。 为了便于分析，往往把传递时延作为整个控制对象的一 h 个独立环节，如图 ３－５ 所示。 传递时延可以发生在水箱的流入侧（控制侧） ，也可以 0 发生在流出侧（负载侧） ，或者两侧都有。若时延出现在控 制侧，控制作用不能及时引起被控量的变化，容易产生过调。 若时延出现在负载侧，则负载变化产生的被控量的偏差信号 不能及时使控制器动作，也容易造成被控量变化过大。所以 时延对控制过程是一种不利因素。在设计控制系统或采用主 要设备时，应尽量减少控制对象的传递时延。 ４．单客控制对象的数学模型
第三章
控制对象的动态特性
控制对象又称调节对象，为了分析自动控制系统，首先要了解控制对象的静态特性与动态 特性。 在轮机自动控制系统中有很多不同形式的控制对象，如柴油机、锅炉、发电机、液箱等。 对不同控制对象有不同的要求，需配备适当的控制器（又称调节器） ，以获得良好的控制效果。 尽管控制对象的类型很多，但一般可分为简单对象与复杂对象。所谓简单对象指只有一个储能 元件，其动态特性可用一阶微分方程式表达。以液箱这类在轮机自动化系统中最常见的控制对 象而言，可以用单容液箱来比拟，所以有时简单控制对象称为单容对象。而复杂控制对象具有 两个以上的储能元件，故其动态特性需以二阶或二阶以上微分方程来表述。对液箱这种控制对 象，相当于存在二个或二个以上容器的情况，故复杂控制对象又称为多容对象。

第5章-过程控制对象的动态特性

由式（5-2）和式（5-11）可以看出，当输入量 h 有一阶跃变化时，被调量水位的变化 最后进入新 的稳态 h ( ) K 1。这是由于在液位变化的作用下 ，引起了输出流量作相应的变化所致。对象在扰动 作用破坏其平衡工作状况后，在没有经过操作人员 或调节器的干预下自动恢复平衡的特性，称为对象 的自平衡特性。
流出的水量Q2随水位而变化，二者之间的关系为
h h Q2 或 Rs Q Rs 2
式中 Rs——流出管路上阀门2的阻力， 也称液阻。
5.1.1 水槽水位的动态特性分析
Rs物理意义是：若使流出量增加1m3/s，液位 应该升高多少。当水位变化范围不大时，可认为 Rs为常数，即流出量Q2的大小取决于水槽中水位h 和流出管路上阀门的阻力Rs。 严格地说， Rs并非是一个常数，它与水位、 流量的关系是非线性的。 实际应用中，常采用切线法将非线性特性进 行线性化处理。
不能实时反映，也即无法达到控制的实时性。
5.3 动态特性测定的实验法及时域法
工业过程的数学模型分为动态数学模型和静态 数学模型。 从控制的角度看输入变量是操纵变量和扰动变 量，输出变量是被控变量。 动态数学模型是表示输出变量与输入变量之间 随时间而变化的动态关系的数学描述。 静态数学模型是输入变量和输出变量不随时间 变化情况下的数学关系。 工业过程的数学模型一般不要求非常准确，因 为其控制回路本身具有一定的鲁棒性。
5.3.1 实验测定法
（一）测定动态特性的时域方法 这种方法主要是求取对象的阶跃响应曲线或方 波响应曲线。 优点：无需特殊的信号发生器，在很多情况下可利 用调节系统中原有的仪器设备，方法简单， 测量工作量小。 缺点：测试精度不高，且对生产过程有一定的影响
5.3.1 实验测定法
（二）测定动态特性的频域方法 在对象的输入端加正弦波或近似正弦波信号， 测出其输入量和输出量之间的幅度比和相位差，就 得到了被测对象的频率特性。 优点：原理及数据处理都比较简单，对生产的影响 较小，测试精度也较时域法高。 缺点：需要专门的超低频测量设备，测试工作量较 大。

热工控制系统B思考题与习题

热工控制系统B思考题与习题第一章控制系统概述1. 什么叫自动控制系统？2．自动控制系统主要由哪几部分组成？每一部分的作用是什么？3．控制对象、被控制量、控制量和给定值是如何定义的？请举例说明。

4．自动控制系统的主要分类方法有哪几种？说明各种分类方法的特点，指出各种分类方法所包括的系统是什么？各系统的特点是什么？5．什么叫前馈控制系统？什么叫反馈控制系统？6．什么叫反馈？什么叫负反馈？7、什么叫定值控制系统？对定值控制系统来说，系统的输入量是什么？举例说明日常生活中的定值控制系统。

8．什么叫随动控制系统？对随动控制系统来说，系统的输入量是什么？举例说明日常生活中的随动控制系统。

9．、对一个实际控制系统如何实现负反馈？10．说明汽包锅炉有哪些被控制量？相应的控制量、控制机构有哪些？锅炉运行过程中被控制量可能会受到哪些扰动？11．控制过程的基本形式有哪几种？它们各有什么特点？如何根据控制过程曲线来检验控制系统是否满足基本要求？哪种控制过程的基本形式符合热工控制过程的要求，给出稳定性指标的范围。

12．通常从哪三个方面衡量自动调节系统的工作品质，表示调节系统的工作品质的指标有哪几个？如何兼顾这些指标？13．举出反馈控制系统的实例，指出被控制量、控制量、控制机构、给定值、扰动，画出控制系统的示意图。

14．水位自动控制系统的两种方案如下图所示，在运行中，希望水位高度H维持不变：（1）说明各系统的工作原理。

（2）画出各系统的方框图，并说明控制对象、被控制量、给定值、扰动各是什么？（3）试说明两系统各属于何种结构的控制方式。

（4）当水箱出口水流量q2变化时，各系统能否使水位高度保持不变？试从原理上定性说明。

第二章控制对象的动态特性1．为什么要研究对象动态特性？2．热工控制对象一般有哪几种类型？每种类型的特点是什么？写出相对应的传递函数。

3．热工控制对象的特征参数有哪些？是如何定义的，物理意义是什么？4．写出表示有自平衡能力对象动态特性的两套特征参数和它们之间的关系。

什么是动态控制原理

什么是动态控制原理动态控制原理是指在控制系统中，根据被控对象的动态特性，采取相应的控制策略，实现对被控对象的准确控制。

动态控制原理在工程控制、自动化系统、机械制造等领域都有着广泛的应用。

在工程技术中，动态控制原理是一种重要的控制方法，通过对被控对象的动态特性进行分析和建模，可以设计出合适的控制系统，实现对被控对象的精确控制。

动态控制原理的核心是对被控对象的动态特性进行准确的描述和分析。

在控制系统中，被控对象往往具有各种各样的动态特性，如惯性、阻尼、弹性等。

这些动态特性对于控制系统的设计和性能具有重要影响，因此需要通过建立数学模型来描述和分析这些动态特性。

在实际工程中，我们可以通过实验数据和理论分析来获取被控对象的动态特性，然后利用这些信息来设计控制系统。

在动态控制原理中，控制系统的设计是一个重要的环节。

通过对被控对象的动态特性进行分析和建模，我们可以确定合适的控制策略和参数，从而设计出满足要求的控制系统。

在控制系统的设计过程中，需要考虑到被控对象的动态特性、控制系统的稳定性、鲁棒性和性能指标等因素，以确保控制系统能够稳定可靠地工作。

动态控制原理的应用非常广泛，涉及到许多领域。

在工业自动化领域，动态控制原理被广泛应用于各种自动化设备和生产线的控制系统中，实现对生产过程的精确控制。

在航空航天、汽车制造、机械加工等领域，动态控制原理也发挥着重要作用，帮助提高生产效率和产品质量。

总之，动态控制原理是一种重要的控制方法，通过对被控对象的动态特性进行分析和建模，设计合适的控制系统，实现对被控对象的精确控制。

动态控制原理在工程技术中有着广泛的应用，对于提高生产效率、优化产品质量具有重要意义。

希望通过本文的介绍，读者能对动态控制原理有更深入的了解，为工程控制和自动化系统的设计与应用提供帮助。

自动控制原理概念最全整理要点

自动控制原理概念最全整理要点自动控制原理是一门关于自动控制的基本理论和方法的学科。

它是制造业、能源、计算机、交通等各种工业和社会领域的核心技术之一。

自动控制原理是一种对变量随时间或空间的演化规律进行建模、设计控制器来调节被控对象状态，以实现所需性能的工程技术。

自动控制原理的内容包括模型建立、控制策略设计、控制器的构成、控制系统的分析与合成等几个方面。

而我们在学习自动控制原理时，要有清晰的思路和认真的学习态度，才能更好的将这些方面整合到一起。

下面是自动控制原理概念最全整理要点：1.自动控制的概念：自动控制指对一个工业过程或某些特定设备的监测、调整和控制技术，它是一种基于数学模型建立的最佳控制策略，并通过控制器对被控对象进行控制，达到所需的性能指标。

2.自动控制的分类：（1）按控制对象分类：可以分为物理系统控制、化学过程控制、工业制造和机械装置控制、电力系统控制、智能系统控制、社会经济系统控制等。

（2）按时域分类：可以分为时不变控制和时变控制。

（3）按控制器类型分类：可以分为模拟控制和数字控制。

3.自动控制的基本原理：对被控对象的动态特性进行建模，构建闭环控制系统，在不断实时监测和计算的基础上，设计出符合控制要求的控制器。

4.自动控制的基本理论：（1）系统动态时间响应：反映系统作出应变的速度和过程的稳定性。

（2）系统稳定性分析：指某个系统在给定输入下，稳定运行的能力。

（3）系统性能指标：包括超调量、稳态误差和响应时间等指标。

5.自动控制的主要部件：（1）传感器：用于检测被控对象的状态量和控制器输出的控制量。

（2）执行元件（执行器）：负责对被控对象实施控制。

（3）控制器：用于将检测到的反馈信号与设定值进行比较后输出控制命令，实现自动化控制。

（4）信号转换器：将传感器和执行元件的信号转换为适合于控制器使用的信号形式。

6.自动控制中经常使用的方法：（1）PID控制：通过对比被控对象的实际值和设定值，对被控对象的输入量进行调整，以实现控制目标。

过程控制工程第三版习题答案


y(t) y(0) y* y() y(0)

* ( ) 0 . 4 , yt * () 0 . 8 取： yt 1 2
t1 2 3 , t 4 3 因为： 0.53 0.46 查表得： t 1 2 t2
则说明该阶跃响应需要更高级的函数才能拟全的更好，
查表2-2得，n=3 t t y () y ( 0 )2 1 2 T 1 0 ,K 2 由： p 2 . 1 6 3 u 1

得：
2 G(s) (10s 1)3
习题2-11

依题意系统模型为：
G (s)
Kp Ts 1
y () y ( 0 ) 1 8 0 2 K 1 . 8 1 0 p 6 u 0 . 0 1 1 0

y(t) y(0) 单位阶跃响应： y* y() y(0)
（2）过程的方框图
Q1(S )
R 2R 3 R 2R 3 AS R 3 R 2
H (S )
习题 2-3: 机理建模举例
R1 Q1
(1) 列写过程微分方 程组; (2) 画出方框图; (3) 求传递函数
R3 Q3
h1
Q12 C1 R12 C2
பைடு நூலகம்
h2
Q2
R2
H2 (s) Gp (s) Q 1(s)
Q2 (s) Q 12(s)
H1(s) H (s) , Q3 (s) 2 , R2 R3 H1(s) H2 (s) R12
1 C2 s
1 R3
1 Q H2(s) (s) Q ) 12 3(s C 2s
H2 Q1(s)
+ _ + _
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为方便起见，以单容水柜为例展开讨论，所得结论同样使 用于其他物理类型的控制对象。如热容、气容和电容等。
Fig.3-1◎
返回本章
1 Q1
h
F
2
Q2
Fig. 3-1 单容控制对象（水柜）示意图
返回最近
§3-1 单容控制对象
研究内容：
1 容量系数与阻力系数 2 自平衡率 3 纯延迟 4 单容控制对象的数学模型
第三章 控制对象的动态特性
控制对象是组成控制系统的基本环节之一， 研究控制对象的动态特性对控制系统的研究具有 重要的理论和实践意义，如判断系统的稳定性和 为控制系统选配合适的控制仪表以及控制系统的 参数调整等。
返回目录
§3-1单容控制对象
任何控制对象都具有储存物质或能量的能力。只有一个储 蓄容积的对象称为单容控制对象。依此类推，具有两个以上储 蓄容积的控制对象则称为多容控制对象。这里只讨论单容控制 对象。
0
o h
K 0
oT
t
63.2% (h)t
t
返回本节
4 单容控制对象的数学模型
分析1
h
K 0
1
2
R1 R2 C1 C2
o T1 T2
t
K k R T RC
返回本节
4 单容控制对象的数学模型
分析1
h
K1 0 K2 0
1
2
R1 R2 C1 C2
o T2 T1
t
K k R T RC
k
返回本节
§3—2多容控制对象的动态特性
• 一、双容水柜控制对象的阶跃响应曲线：
多容控制对象的数学模型
多容控制对象的传递函数
Qi(s)
G1(s)
H1(s) G2(s) Q1(s) G3(s)
H2(s)
返回本节
多容控制对象的数学模型
多容控制对象的传递函数
G1(s) H1(s) K1 Qi(s) T1s 1
G2(s) Q1(s) 1 H1(s) R1
T RC, K k R
G3(s) H 2(s) K 2 Q1(s) T 2s 1
返回本节
多容控制对象的数学模型
单容控制对象的传递函数
T dh h K
dt
T RC, K k R
Ts H(s) H (s) KM (s)
G(s) H (s) K M (s) Ts 1
一阶惯性环节
返回本节
4 单容控制对象的数学模型
单容控制对象的阶跃响应
设 0 则
M (s) 0
s
0
H (s) G(s) M (s) K 0
Q h R h
R
Q
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1 容量系数与阻力系数
阻力系数（R）：推动物质或能量运动的动力与因此而产生
的物质或能量的流量之比。
液阻： R dh h dQ2 Q
对应不同的高度，阻力 系数不同。此即阻力系 数的非线性。
电阻： R du di
气阻： R dp dq
热阻： R dt dq
返回本节
0
o h
K 0
dh(t)
K 0
dt t 0 T
o
t
K
0
T
Tቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
K
0
T
t
返回本节
4 单容控制对象的数学模型
放大系数K和时间常数T的求法
K (h)t K 0
0
0
令t=T，则
h(t) K 0(1 et /T ) h(t) K 0 (1 e1)
63.2% K 0 63.2% (h)t
气容： C dm dp
热容： C dQ 电容： C dQ
dt
du
返回本节
1 容量系数与阻力系数
现象2：
1 Q1+ΔQ
Δh
Fh
给水量Q1增大导致液位h上升 的原因：存在阻力。
2 Q2 +ΔQ
液位h上升又将克服阻力，使 Q2增大ΔQ ，直至Q2 =Q1 。
为使流量增大ΔQ ，阻力越大， 所需增加的Δh也越大。
M (s) A s Ts
k
返回本节
4 单容控制对象的数学模型
分析2 1 k
RK
1 Q1+ΔQ Δh Fh
当R→∞时，自平衡率→0，控制 对象成为一个积分环节。
(Q1 Q2)dt C dh
Q1 dt C dh
2 k dt C dh
ΔQ2＝0 G(s) H (s) 1 1 M (s) A s Ts
dh(t)
K 0 k 0
dt t 0 T
C
返回本节
4 单容控制对象的数学模型
分析2 K k R
1 k
RK
可见，控制对象之所以存 在放大系数是由于阻力系 数R所至，R越大，K也越 大，其自平衡率越小。
(Q1 Q2)dt C dh Q1 dt C dh k dt C dh G(s) H (s) 1 1
对象传递函数
返回本章
1 容量系数与阻力系数
现象1：
1 Q1
1 Q1
Fh
2 Q2
Fh
2 Q2
不同大小的水柜容纳水的能力不同。
返回本节
1 容量系数与阻力系数
容量系数（C）：被控量变化一个单位时对象所容纳的物质 或能量的变化量。
(Q1 Q2)dt dv A dh
液容： C dv A dh
因此单容水柜的容积系 数就是其截面积A。
4 单容控制对象的数学模型
单容控制对象的微分方程
(Q1 Q2)dt dv A dh C dh
设进口阀开度变化Δμ，则 Δμ
(Q1 Q2)dt C dh 其中，Q1 k Q2 h / R
ΔQ1、 ΔQ2、 Δh
因此，
RC
dh
dt
h
k
R
T dh h K
dt
返回本节
4单容控制对象的数学模型
Ts 1 s
K0
(
1 s
s
1 1/T
)
o
h
K 0
t
h(t) K 0(1 et /T )
o
t
返回本节
4 单容控制对象的数学模型
放大系数K和时间常数T
h(t) K 0(1 et /T )
放大系数K：当对象达到稳态时 把输入量放大的倍数。
时间常数T：对象输出以最大变化 速度达到新稳态值所需的时间。
2 自平衡率
自平衡特性：控制对象在受到扰动后，被控量的变化将引起 物质或能量的流量产生变化，从而使自身恢复到平衡状态。
自平衡率（ ）：控制对象依靠被控量的变化而使自身恢复
到平衡态的能力。
自平衡率： 1
R
若将出口阀关死，则 0
没有自平衡能力。
1 Q1+ΔQ
Δh
Fh
2
Q2 +ΔQ
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3 纯延迟
纯迟延（τ）：由于传输距离导致被控量的变化比控制量的
1 Q1
变化所落后的时间长度。 u Δu
0 h
t
Fh
2 0τ
Q2
t
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3 纯延迟
实际的控制对象往往存在纯迟延，通常将其视作由一个 独立的环节，即纯迟延环节，它与控制对象相串联。
Q1(s) e s Q'1(s) +
－ Q2(s)
1
h
CS
1 R
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