生产过程的动态特性

机械设计中的动态特性与优化方法在现代工业领域中，机械设计的重要性不言而喻。

随着科技的不断进步和应用需求的日益复杂，对于机械产品的性能要求也越来越高。

其中，机械设计中的动态特性成为了影响产品质量和性能的关键因素之一，而优化方法的研究和应用则为提升机械设计的水平提供了有力的支持。

机械设计中的动态特性，简单来说，就是机械系统在运动过程中的各种表现和特征。

这包括了振动、噪声、稳定性、响应速度等多个方面。

一个具有良好动态特性的机械系统，能够在工作过程中保持稳定、高效、低噪，并且具有较长的使用寿命。

相反，如果动态特性不佳，可能会导致机械故障、性能下降、甚至危及操作人员的安全。

让我们先来看振动这一重要的动态特性。

在机械运转时，部件之间的相互作用以及外部的激励常常会引起振动。

过度的振动不仅会产生噪声，还可能会导致零件的疲劳损坏，影响整个机械系统的精度和可靠性。

例如，在汽车发动机中，活塞的往复运动、曲轴的旋转等都会产生振动，如果这些振动不能得到有效的控制，就会影响发动机的性能，降低车辆的舒适性。

噪声也是机械动态特性中需要关注的一个方面。

噪声不仅会对操作人员的健康造成影响，还可能违反相关的环保法规。

在许多机械设备中，如机床、风机等，由于零件之间的摩擦、气流的冲击等原因，会产生较大的噪声。

通过对机械结构的优化设计，合理选择材料和加工工艺，可以有效地降低噪声水平。

稳定性是机械系统正常运行的基本要求。

当机械系统受到外界干扰时，如果能够迅速恢复到原来的工作状态，就说明其具有较好的稳定性。

否则，可能会出现失稳现象，导致机械故障甚至事故的发生。

例如，在飞机的飞行过程中，机翼的振动稳定性对于飞行安全至关重要。

响应速度则反映了机械系统对输入信号的快速反应能力。

在一些自动化生产设备中，需要机械系统能够快速准确地响应控制信号，以实现高效的生产过程。

那么，如何优化机械设计中的动态特性呢？这需要综合运用多种方法和技术。

首先，在设计阶段就要充分考虑动态特性的要求。

所谓过程控制是指根据工业生产过程的特点，采用测量仪表、执行机构和计算机等自动化工具，应用控制理论，设计工业生产过程控制系统，实现工业生产过程自动化。

一﹑过程控制的特点及分类方法过程控制的特点是与其他自动化控制系统相比较而言的，大致可归纳如下：1.连续生产过程的自动控制。

2.过程控制系统由过程检测、控制仪表组成。

3.被控过程是多种多样的、非电量的。

4.过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半为参量控制。

5.过程控制方案十分丰富。

6.定值控制是过程控制的一种常用形式。

7.被控对象的多样性：过程工业涉及到各种工业部门，其物料加工成的产品是多样的。

同时，生产工艺各不相同。

过程控制系统的分类方法很多，若按被控参数的名称来分，有温度、压力、流量、液位、pH等控制系统；按控制系统完成的功能来分，有比值、均匀、分程和选择性控制系统；按调节器的控制规律来分，有比例、比例积分、比例微分、比例积分微分控制系统；按被控量的多少来分，有单变量和多变量控制系统；按采用常规仪表和计算机来分，有仪表过程控制系统和计算机过程控制系统等。

但最基本的分类方法有以下两种：按系统的结构特点来分反馈控制系统，前馈控制系统，复合控制系统（前馈-反馈控制系统）按给定值信号的特点来分定值控制系统，随动控制系统1.反馈控制系统偏差值是控制的依据，最后达到减小或消除偏差的目的。

反馈信号可能有多个，从而可以构成多回路控制系统（如串级控制系统）。

2.前馈控制系统扰动量的大小是控制的依据，控制“及时”。

属于开环控制系统，在实际生产中不能单独采用。

3.闭环与开环控制系统反馈是控制的核心！只有通过反馈才能实现对被控参数的闭环控制！开环控制系统不能自动地“察觉”被控参数的变化情况，也不能判断控制参数的校正作用是否适合实际需要。

闭环控制系统在过程控制中使用最为普遍。

4.定值控制系统定值控制系统是工业生产过程中应用最多的一种过程控制系统。

在运行时，系统被控量（温度、压力、流量、液位、成份等）的给定值是固定不变的。

《自动控制原理》习题习题11有一水位控制装置如图所示。

试分析它的控制原理，指出它是开环控制系统闭环控制系统？说出它的被控量，输入量及扰动量是什么？绘制出其系统图。

2某生产机械的恒速控制系统原理如图所示。

系统中除速度反馈外，还设置了电流正反馈以补偿负载变化的影响。

试标出各点信号的正负号并画出框图。

Ifi I id斷一实#事忡%—岭甲康fi3图示为温度控制系统的原理图。

指出系统的输入量和被控量，并画出系统框图。

4•自动驾驶器用控制系统将汽车的速度限制在允许范围内。

画出方块图说明此反馈系统。

5•双输入控制系统的一个常见例子是由冷热两个阀门的家用沐浴器。

目标是同时控制水温和流量，画出此闭环系统的方块图，你愿意让别人给你开环控制的沐浴器吗？6•开环控制系统和闭环控制系统各有什么优缺点？7•反馈控制系统的动态特性有哪几种类型？生产过程希望的动态过程特性是什么?习题21试分别写出图示各无源网络的传递函数'o习题3图+ ------- I I -----+习题1图2求图示各机械运动系统的传递函数。

(1)求图a 的(2)求图b 的=? (3)求图c 的=?习题2图3试分别写出图中各有源网络的传递函数U(s )/ U i (s )。

(b )4交流伺服电动机的原理线路和转矩-转速特性曲线如图所示。

为电动机的输出转矩。

N 为电动机的转矩。

由图可 T 与n 、u 呈非线性。

设在某平衡状态附 近用增量化表示的转矩与转速、控制电压关系方程为k n、k c为与平衡状态有关的值，可由转矩一转速特性曲线求得。

设折合到电动机的总转动惯 量为J ,粘滞摩擦系数为f ,略去其他负载力矩，试写出交流伺服电动机的方程式 并求输入为U c ，输出为转角B 和转速为n 时交流伺服电动机的传递函数习题4图习题5图6已知一系统由如下方程组组成，试绘制系统框图，求出闭环传递函数。

⑶=x r ⑻6⑶- 4何［恥）- 4何厮何 卫何二厲何［禺何-耳⑻卫⑻］7系统的微分方程组如下:图中，u 为控制电压.T強）啟）5图示一个转速控制系统， 输入量是电压 图，并写出其输入输出间的数学表达式。

1过程控制的任务和要求要求三项：安全性经济性稳定性，过程控制的任务就是在了解掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。

过程控制的任务是由控制系统的设计和实现来完成的。

2常用过程控制系统分为哪几类三类1.反馈控制系统（根据被控参数与给定值的偏差进行控制的）2.前馈控制系统（根据扰动量的大小进行控制的，扰动是控制的依据）3.前馈-反馈控制系统（前馈控制的主要优点是能迅速及时克服主要扰动对被控量的影响，而前馈反馈能控制利用的反馈控制克服其他扰动，能够使被控量迅速而准确的稳定在给定值上，提高系统的控制质量）1过程控制系统在运行中状态有几种?过程控制系统时域性能指标包括哪些？它们分别反应系统哪些方面性能？两种，一种是稳态，此时系统没有收到任何外来干扰，同时设定值保持不变，因而被调量也不会随时间变化，整个系统处于稳定平衡的工况。

一种是动态，当系统收到外来干扰的影响或者在改变了设定值之后原来的稳态受到破坏，各部分输入输出都发现变化。

时域性能指标（衰减比和衰减率，最大动态误差和超调量，残余偏差，调节时间和振荡频率）衰减比是衡量一个振荡过程的衰减程度的指标，它相当于两个相邻的波峰值之比。

衡量震荡频率过程衰减程度的另一个指标是衰减率，指的是每经过一个周期，波动幅度衰减的百分数。

最大动态误差和超调量最大动态误差是指设定阶跃响应中，过度过程开始后第一个波峰超过其新稳态值的幅度，最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分比称为超调量残余偏差是指过渡结束之后被调量新的稳态值Y（∞）与新设定值r之间的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量指标调节时间和振荡频率调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间过渡过程的振荡频率也可以作为衡量控制系统快速性的一个指标那你。

2什么是被控过程的特性？什么是被控过程的数学模型？目前研究过程数学模型的主要方法有哪些？指被控过程是否容易控制。

《过程的动态特性与控制》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程目标（一）总体目标：《过程的动态特性与控制》是一门理论与工程实践密切相关，应用性较强的专业课程,是化学工程与工艺专业的一门必修课。

该课程从自动控制系统的基本概念入手，系统地讲述构成自动控制系统的各个基本环节，包括被控对象、测量元件及变送器、显示仪表、自动控制仪表、执行器等；以及简单控制系统、复杂控制系统；最后结合化工生产过程讲述几种典型化工单元操作的控制方案。

通过对本门课程的学习，使学生比较全面地掌握化工过程自动控制系统的组成、功能、分析和设计；重点掌握检测仪表的工作原理和特点；培养学生自动控制系统设计、开发以及现场操作能力。

同时使对化工自动化领域建立较全面的认识，开拓其专业视野，为今后从事化工自动化生产相关行业提供强有力的理论和实践基础。

（二）课程目标：本课程教学内容以化工仪表及自动化的基本知识和基本技能为主，注重学生分析问题、解决实际问题的能力培养。

本课程的学习目标如下：课程目标1：掌握自动控制系统相关知识1.1掌握化工自动控制系统的组成、原理及各环节的作用；掌握简单及更杂控制系统的结构、特点及应用场合。

1.2掌握化工对象的基本特性及其对控制过程的影响。

13了解主要工艺参数的基本测量方法和仪表的工作原理及其特点，能根据工艺实际情况正确地选用和使用常见测量仪表。

1.4掌握基本控制规律的特点和适用范围，能够分析和评价控制器参数对被控过程的控制质量的影响。

课程目标2：分析自动控制系统出现的问题并根据工艺要求，与自控人员共同设计控制方案2.1能综合运用本课程和其它课程知识，根据工艺要求，与自控设计人员共同讨论和提出合理的自动控制方案；能够分析和处理控制系统运行中出现的一些现象和问题；2.2能在工艺设计和技术改造中，与自控设计人员合作，综合考虑工艺与控制两个方面,为自控设计人员提供正确的工艺条件与数据，选用合适的理论方法课程目标3,培养学生理论联系实际、综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力，培养学生严谨的工作作风和实事求是的科学态度，为未来的相关行业科学研究及实际工作打下良好的基础。

泛函分析在优化控制理论中有哪些应用在当今科技飞速发展的时代，优化控制理论在众多领域发挥着至关重要的作用，从工业生产中的自动化流程到航空航天领域的精确导航，从经济模型的优化决策到生态系统的可持续管理，无一不依赖于优化控制理论的精妙应用。

而泛函分析作为数学领域的一个重要分支，为优化控制理论提供了坚实的理论基础和强大的分析工具，极大地推动了优化控制理论的发展和应用。

泛函分析是研究无限维向量空间上的函数、算子和泛函的数学学科。

它所涉及的概念和方法，如希尔伯特空间、巴拿赫空间、线性算子理论等，为优化控制问题的表述、分析和求解提供了精确而有效的语言。

在优化控制理论中，一个关键的问题是如何找到一个控制策略，使得系统的性能指标达到最优。

这通常涉及到对系统状态和控制变量的约束，以及对性能指标的数学描述。

泛函分析中的线性泛函和对偶理论在这个过程中发挥了重要作用。

例如，通过定义适当的线性泛函，可以将优化问题转化为一个对偶问题，从而利用对偶理论来求解原问题。

这种方法不仅在理论上提供了一种全新的视角，而且在实际计算中也常常能够简化问题的复杂度，提高求解的效率。

再来看希尔伯特空间理论。

在优化控制中，系统的状态和控制变量常常可以看作是希尔伯特空间中的元素。

希尔伯特空间的完备性和内积结构为分析系统的稳定性和收敛性提供了有力的工具。

通过利用希尔伯特空间中的投影定理，可以将优化问题转化为寻找一个在特定约束条件下的最佳逼近解。

这种方法在处理具有约束条件的优化问题时非常有效，能够保证解的存在性和唯一性。

巴拿赫空间中的不动点定理也是泛函分析在优化控制中的一个重要应用。

在一些动态系统的优化控制问题中，可以将系统的演化过程表示为一个算子在巴拿赫空间中的作用。

通过证明相关算子存在不动点，就能够确定系统的稳定状态或者最优控制策略。

此外，泛函分析中的变分原理在优化控制中也有着广泛的应用。

变分原理为求解最优控制问题提供了一种直接的方法，通过对性能指标的变分分析，可以得到最优控制所满足的必要条件。