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2.第二章 调节对象的特性

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2 调节器和调节系统的调节过程

2 调节器和调节系统的调节过程


图1-13 积分控制规律
比例控制规律使控 制器反应迅速，积分 控制规律能消除系统 静态偏差。在制冷空 调系统中，较少采用 纯积分控制器；在控 制质量要求较高的场 合，选用比例控制器 或比例积分控制器。
图1-14 比例积分控制规律
控制规律
微分控制
若流入量和流出量存在着不平衡，等到在被控参 数的偏差量上充分反映出来时，实际上已落后了一 段时间。当被调对象中一旦出现流入量与流出量不 平衡时，立即就有一个与此不平衡流量成正比的被 调量偏差的变化速度出现。由于控制对象总有一定 的容量，所以此时偏差变化量尚未形成(或十分小)， 因此，被调量偏差的变化速度信号在时间上快于偏 差变化信号。如果利用被控参数的变化速度(即被控 参数对时间的导数)作为控制器的输入信号，就可克 服偏差控制作用不及时的现象。这就引入了微分控 制器。理想微分控制器的输出信号与输入信号变化 速度成正比。即
（2）电动比例调节器
电动比例积分两通调节阀
优点：
①电源问题容易解决； ②作用距离长，一般情况下不受限制； ③调节精度高的电动调节器一般容易做到； ④可实现微机化。
缺点：
①电气装置、继电器和电子元件在动作频繁的工作条 件下，只能使用一定的期限； ②电动调节器的使用和调整比较复杂，对维护技术要 求亦高； ③电器接点有火花产生，电器元件带电，不利于防火 防爆。
Байду номын сангаас
3、调节器元件
调节器可分为直接作用式和间接作用式。 间接作用式调节器的优点是：调节器灵敏 度高，作用距离长，输出功率大，便于集中控 制及采用计算机控制等。其缺点是：常需要辅 助能源，结构较复杂，价格较贵等。 直接作用式调节器的优点是：结构简单、 紧凑、价格便宜，密封性好，因此被广泛用于 制冷、空调系统的一般控制中。但它灵敏度及 精度差，因此在调节质量要求高的场合不能适 用。
2热工对象的动态特性

2热工对象的动态特性


二、有自平衡能力的对象
对象的有自平衡能力：在阶跃输入扰
动下，不需要经过外加调节作用，调 节对象的被调量经过一段时间后能自己 稳定在一个新的平衡状态。
特征参数：
1、自平衡系数（或自平衡率） ρ
ρ =1/K ρ 表示对象的输出量每变化一个单位，
能克服多大的输入不平衡。 ρ 越大，对象的自平衡能力就越强。 ρ =0表示对象没有自平衡能力， ρ 的倒数就是对象的静态放大系数K。
一、典型环节的动态特性
1. 比例环节
输出信号与输入信号是同类型的时 间函数且成比例关系
动态方程： y K p x
阶跃响应：
2、积分环节
输出量的变化速度与输入量成正比
dy
动态方程： dt

Ki x
。
特点：
a.输出量反映输入量对时间的积分。 b.只有输入量为零时，输出量才不变
化，且能保持在任何位置上。
应用最普遍的是测出对象的阶跃 响应曲线。
通过大量的现场测试和分析， 大多数热工对象的动态特性具有 下图所示的形状：
基本特点：一开始被调量并不立
即有显著变化，而且达到新的平 衡需要一个非周期的过程，这说 明热工调节对象有一定的迟延和 惯性，过渡过程是不振荡的。
在曲线的最后阶段，被调量可 能达到新的平衡值，也有可能 被调量不断变化，而其变化速 度趋近某一数值，前者称为有 自平衡能力的对象，后者称为 无自平衡能力的对象。
2、响应速度（飞升速度ε ）
表示当输入信号为单位阶跃输入时， 阶跃响应曲线上被调量的最大变化 速度。
(四)热工控制对象动态特性 的特点
如果考虑到无自平衡能力的热工 对象的ρ=0，那么不论对象有无 自衡能力，都可以统一用三个特 征参数来表示。
《计算机控制技术》复习思考题 第1章 第2章

《计算机控制技术》复习思考题 第1章 第2章

《计算机控制技术》复习思考题第一章自动控制系统基本概念1.自动控制系统的组成一个简单的自动控制系统，均可概括成两大部分：一部分是自动化装置控制下的生产设备，称为被控对象；另一部分是为实现自动控制所必须的自动化仪表设备，简称为自动化装置，它包括测量变送器、调节器和执行器等。

简单的自动控制系统由被控对象、测量变送器、调节器及执行器四大部分组成。

2.术语a)被控对象？调节器？执行器？测量变送器？b)被控变量，y？设定值，g？测量值，z？偏差，e？干扰，f？调节参数？在被控对象中，需要控制一定数值的工艺参数叫做被控变量，用字母y表示。

被控变量的测量值用字母：表示，按生产工艺的要求，被控变量希望保持的具体数值称为设定值，用字母譬表示。

被控变量的测量值与设定值之间的差值叫做偏差，用字母e表示，e=g-z。

在生产过程中，凡能影响被控变量偏离设定值的种种因素称为干扰，用字母，表示。

用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的参数叫做调节参数。

c)反馈？负反馈、正反馈？把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新返回到输入端的做法叫做反馈。

如果反馈信号能够使原来的信号减弱，也就是反馈信号取负值，那么就叫做负反馈。

如果反馈信号取正值，反馈信号使原来的信号加强，那么就叫做正反馈。

自动控制系统绝对不能单独采用正反馈。

d)闭环系统？一个一个信号沿着箭头的方向传送，最后又回到原来的起点，形成一个闭合的回路，如此循环往复，直到被控对象的被控变量值达到或接近设定值为止，所以这种自动控制系统是闭环系统。

自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。

3.自动控制系统方框图?4.自动控制系统的分类？按照工艺过程需要控制的参数值即设定值是否变化和如何变化来分类，而将闭环自动控制系统分为定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统三大类。

按调节器具有的控制规律来分类，如位式、比例、比例积分、比例微分、比例积分微分等控制系统。

定值控制系统、随动控制系统和程序控制系统？5.过渡过程a)静态、动态？自动控制系统的平衡（静态）是暂时的、相对的和有条件的，不平衡（动态）才是普遍的、绝对的、无条件的。

第二章 环境法概述

第二章 环境法概述

第二章环境法概述第一节环境法的概念及特征一、环境法的概念环境法是调整有关环境资源的开发、利用、保护和改善的社会关系的法律规范的总称。

它包括环境保护法或污染防治法、自然保护法、资源（能源）法、土地法、国土法、区域发展法或城乡规划建设法等法律。

二、环境法的特征（一）调整对象的特殊性环境法的调整具有不同于其他法律部门的特殊性，它既调整人与人的关系，也调整人与自然的关系。

1、综合性环境法具有极强的综合性，它是在以往环境保护法、土地法、自然资源法和区域开发整治法基础上的更高层次的综合。

2、科学技术性环境法具有很强的科学技术性，它不仅反映社会经济规律和自然生态规律，还反映人与自然相互作用的环境规律。

3、公益性保护环境资源已成为全人类的共同要求，保护环境资源的事业已成为公益性事业。

同其他法相比，各国环境与资源保护法，在环境资源保护的原则、手段、措施、标准、制度和程序等方面有更多共同之处和可以相互借鉴的内容。

三、环境法的本质（一）环境法是社会法环境作为全人类的共同生存条件，并不能为某个人、某个阶级或某国所私有或独占，也不能以阶级、意识形态或国界来加以划分，环境资源保护符合整个社会乃至整个人类的利益。

（二）、环境法是以社会利益为本位的法所谓社会利益就是指不特定多数人的利益。

环境与生态是人类的经济和社会发展的基础，与社会、经济发展的秩序密切相关，因而成为社会利益的重要组成部分。

环境问题的产生无一不与私人利益的盲目追逐和市场机制调节失灵直接相关。

在社会经济发展的严重问题面前，人们终于认识到，个人利益与社会利益并非完全一致。

在处理个人利益与社会利益时，就必须从社会利益出发，对不利于社会利益的行为加以限制。

（三）环境法是公法手段干预私法领域的法环境问题是在私法秩序下产生的，它表明私法对于环境保护的支能。

而在现代社会中，环境资源与生态保护已成为人类社会经济发展的必要条件，它的社会公共利益性使之作为独立利益形态的要求日趋突出，人类社会的共同利益要求公法手段必须作用于私法领域，否则，环境保护无法谈起。

第2章 被控对象的特性

第2章 被控对象的特性


10
举例
一个对象如果可以用一个一阶微分方程式来描 述其特性（通常称一阶对象），则可表示为
a1yt a0 yt xt
（2-2）
或表示成 Tyt yt Kxt
（2-3）
式中
T a1 , K 1
a0
a0
上式中的系数与对象的特性有关，一般需要通过对象 的内部机理分析或大量的实验数据处理得到。
2020年7月10日星期五 2时9分7秒
衡。 水槽 对象
例如水槽对象
稳定时Q1＝Q2，h保持稳定。如Q1突 然增加，h逐渐增加，由于h↑，Q2随液 体静压强↑而↑，Q1与Q2的差值逐渐减小， h↑减慢，最后Q1与Q2重新相等， h又自 行稳定在新的高度h/上.
有自衡的对象有利于控制。除部分反 应器、锅炉汽包、泵排液对象之外，大 多数有自衡性质。
湖北大学化学化工学院 杨世芳
8
(2)参量模型
当数学模型是采用数学方程式来描述时，称为参量模 型。对象的参量模型可以用描述对象输入、输出关系的微 分方程式、偏微分方程式、状态方程、差分方程等形式来 表示。
2020年7月10日星期五 2时9分5秒
湖北大学化学化工学院 杨世芳
9
对于线性的集中参数对象
通常可用常系数线性微分方程式来描述方程式来描述
当数学模型是采用曲线或数据表格等来表示时，称为 非参量模型。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。
特点
形象、清晰，比较容易看出其定性的特征
缺点 直接利用它们来进行系统的分析和设计往往比较困难
表达形式 对象在一定形式输入作用下的输出曲线或数据来表示
2020年7月10日星期五 2时9分5秒
自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、控
思想道德修养与法律基础第二章题库试题及答案(选择题)

思想道德修养与法律基础第二章题库试题及答案(选择题)

第二章继承爱国传统弘扬民族精神一、单项选择题1．爱国主义的调节对象是（ C ）的关系。

A个人与世界之间的关系；B个人与民族之间的关系；C个人与祖国之间的关系；D国家与国家之间的关系。

2．爱国主义所反映的个人与祖国的关系是（ A ）．A依存关系 B隶属关系 C敌对关系 D合作关系3．（ D ）是调节个人与祖国之间的道德关系的道德要求、政治原则和法律规范。

A爱国情感 B爱国行为 C爱国思想D爱国主义4．“八荣八耻”中，鲜明反映爱国主义的是（ D ）。

A以辛勤劳动为荣，以好逸恶劳为耻; B以团结互助为荣，以损人利己为耻;C以服务人民为荣，以背离人民为耻; D以热爱祖国为荣，以危害祖国为耻;5．“禾苗离土即死”、“一方水土养一方人”所体现的是（ B ）。

A祖国对国土的依赖关系B人民对故土家园的依赖关系C国土对祖国的依赖关系 D故土家园对人民的依赖关系6．（ B ）作为一个民族群体意识的载体，常常被称为国家和民族的“胎记”，是一个民族得以延续的“精神基因”。

A祖国的大好河山B灿烂的文化传统 C自己的骨肉同胞 D深厚的道德渊源。

7．抛弃国外优越的生活与工作条件，历尽千难万险，回归祖国的怀抱，投身到祖国的建设中的，被评为“两弹一星”的功臣而受到国家的表彰的爱国科学家是（ A ）。

A钱学森 B邓稼先 C梁守盘 D金先仲。

8．“苟利国家生死以，岂因祸福避趋之”是著名爱国人士（ B ）的诗句。

A陆游 B林则徐 C范仲淹 D戚继光。

9．“报国之心，死而后已”出自（ D ）A孟子 B左传 C出师表 D论语。

10．在新民主主义革命时期,爱国主义主要表现为( B )。

A大力支持国家的经济建设B致力于推翻帝国主义,封建主义和官僚资本主义的统治,建设新中国C发扬我国博大精深的民族文化D献身于建设和保卫社会主义现代化事业和促进祖国统一大业11．在当代中国，爱国主义首先体现在（ A ）。

A对当代社会主义中国的热爱上 B对未来现代化中国的热爱上C对古代封建主义中国的热爱上 D对近代半殖民地中国的热爱上12．新时期，爱国主义的主题是（ C ）A促进世界和平 B大力发展我国的经济C建设中国特色社会主义 D发扬中华民族的优良传统13．爱国主义与爱社会主义、爱中国共产党、爱人民政府是（ A ）。

自动控制原理第二章复习总结（第二版）

自动控制原理第二章复习总结（第二版）

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。

过程控制 习题与答案

过程控制 习题与答案

第1章绪论思考题与习题1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？解答：1．控制对象复杂、控制要求多样2. 控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？解答：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。

组成：控制器，被控对象，执行机构，检测变送装置。

1-3简述被控对象、被控变量、操纵变量、扰动（干扰）量、设定（给定）值和偏差的含义？解答：被控对象自动控制系统中，工艺参数需要控制的生产过程、设备或机器等。

被控变量被控对象内要求保持设定数值的工艺参数。

操纵变量受控制器操纵的，用以克服扰动的影响，使被控变量保持设定值的物料量或能量。

扰动量除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。

设定值被控变量的预定值。

偏差被控变量的设定值与实际值之差。

1-4按照设定值的不同形式, 过程控制系统可分为哪几类？解答：按照设定值的不同形式又可分为:1．定值控制系统定值控制系统是指设定值恒定不变的控制系统.定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响,使被控变量最终回到设定值或其附近.以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言.2.随动控制系统随动控制系统的设定值是不断变化的.随动控制系统的作用是使被控变量能够尽快地,准确无误地跟踪设定值的变化而变化3.程序控制系统程序控制系统的设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。

1-5 什么是定值控制系统?解答：在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。

1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？为什么说研究控制系统的动态比其静态更有意义？解答：被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。

《自动化仪表及过程控制》课程教学大纲

《自动化仪表及过程控制》课程教学大纲

自动化仪表及过程控制》课程教学大纲英文名称：Automatic Instruments and Process Control 课程编号：适用专业：自动化学时：54 学分： 3 课程类别：专业方向课课程性质：限选课一、课程的性质和目的《自动化仪表及过程控制》是自动化专业的重要专业课。

本课程在系统简明地阐述常用过程量测控仪表和计算机控制系统基本原理和基本知识的基础上，同时介绍自动调节系统设计和整定的基础知识，通过本课程的学习，使学生掌握生产过程控制的基础知识和基本应用技术。

二、课程教学内容概述主要内容：1、自动化仪表的概念及其发展；2、DDZ 仪表及其控制系统；3 、自动化仪表的基本性能指标。

第一章检测仪表基本内容和要求：1、了解温度测量的概念和工业上常用的测量方法；2 、掌握热电偶的测温原理及其应用；3 、掌握热电阻的测温原理及其应用；4、理解温度变送器的基本结构；5、了解工业生产中压力参数的概念和常用压力测量原理；6、理解压力式、力平衡式、位移式和固态测压元件及其变送器的工作原理；7、理解节流式、容积式流量测量的基本原理及其应用。

8、理解涡轮、电磁、漩涡等流量测量方法的应用；9、理解浮力式、静压式、电容式、超声式等常用液位测量原理；10、了解成分分析仪表的基本概念。

教学重点：1、常用温度仪表、压力仪表、液位仪表、流量仪表和成分仪表的工作原理及其应用。

2、分度表，分度号，热电偶的冷端延伸和冷端补偿，热电阻的三线制；3、差动电容压力变送器工作原理；4、差压流量计的流量公式；5、差压变送器的零点迁移原理。

第二章调节器基本内容和要求：1、重点掌握PID 调节规律的原理及其应用；2、理解PID 模拟电路的结构原理；了解二位式和连续调节仪表应用的基础知识；3、理解数字PID 算法基本表达式及其原理；4、简单了解工业现场常用模拟和数字调节器的基本结构及其应用。

教学重点PID 调节规律的原理及其应用；第三章集散控制系统和现场总线控制系统基本内容和要求：1 、了解单回路可编程调节器的概念2、了解DCS 系统的基本概念；3 、理解DCS 系统的结构特点及其组成；4 、理解DCS 控制站和操作站的功能；5 、了解FCS 系统的基本概念；第四章执行器和防爆栅基本要求1 、熟炼掌握气动调节阀的基本结构、原理及其应用等基本概念；2 、熟悉调节器流量特性的定义及其应用；3 、理解和掌握气动执行器气开/气关的形式及其选择原则；4、了解电动执行器及电气转换器的基本原理；5 、简单了解工业控制系统防爆的基本概念。

化工仪表及自动化第二章调节对象的特性

化工仪表及自动化第二章调节对象的特性


由体积守恒可得：
(Q1-Q2)dt =Adh
其中：Q2 h/Rs
RS——局部阻力项
Q
由此可得：
2
RS Q1=h+A Rs (dh/dt)
或:
K Q1 =h+T(dh/dt)
（一阶常系数微分方程式）
示例二：积分对象QFra bibliotek1h
由体积守恒可得：
(Q1-Q2)dt=Adh 其中：Q2=C
C——常数
Q
由此可得：
1. 实验应在其它条件相对相对稳定时进行； 2. 条件变化与结果记录应同时进行，以便分析滞后时
间； 3. 实验结果的记录应持续到输出量达到稳定态为止； 4. 尽可能增加实验点数，必要时可进行重复实验，以
提高精度； 5. 对实验数据中的奇异点，要认真分析，尽量排除。 6. 注意实验中的异常变化，必要时做好预防措施，以
优点：结果比较准确。缺点：时间长，代价大。
• 阶跃反应曲线法 – 通过调节量的一个阶跃变化寻找对象的动态特性。
优点：简单易行。 缺点：精度低。
• 周期脉冲法 通过调节量的周期变化（矩形波或正弦变化），获取 对象的动、静态特性。
优点：能反应条件波动时的结果。缺点：不能用于大滞后系统。
对象特性实验注意事项
策安全。
三、滞后时间
滞后时间 —— 在输入参数变化后，有的输出
参数不能立即发生变化，而需要等待一段时间
才开始产生明显变化，这个时间间隔称为 。
根据滞后性质的不同，可分为两类：
1.传递滞后0： 滞后期内无变化——新参数的作用
结果还没有传递到输出点；
2.容量滞后h：滞后期内逐步产生微弱变化——新
参数的作用结果受到容积量的缓冲。
第2章 被控对象的特性

第2章 被控对象的特性


将式（2-13）和式（2-14）代入式（2-15）式（2-16）
中得
A1dh1/dt=Qi-h1/R1
(2-17)
A2dh2/dt=h1/R1- h2/R2
(2-18)
将式（2-17）与式（2-18）相加，并整理后得
d h1
dt
1 (Q Ai
1
A2
dh2
dt
h2 ) R2
（2-19）
将式（2-18）求导，得
2
(T
1
T
)
2
dh
dt
2
h
2
KQ
i
（2-22）
上式为一个二阶常系数微分方程式。式中 T1,T2 分别为两个水槽的时间常数， K为整个对象的放大系 数。
三、纯滞后对象的数学模型及特性 在连续化生产中，有的被控对象或过程，在输
入变量发生变化后，输出变量并不立刻随之变化， 而是要隔上一段时间后才产生响应。我们把具有这 种特性的对象称为纯滞后对象。
s
i
Q Q VQ
0
s
0
将这些变量代入式（2-1）中，就可得到
A dVh VQ VQ
dt
i
o
（2-2）
在上式中，还不能清楚地看出h与Qi的关系。因为 式中有QO的存在，为此，必须将QO从式中消除。由工 艺设备的特性可知，QO与h 的关系是非线性的。考虑 到h和QO的变化量相对较小，可以近似认为QO与h 成正 比，与出水阀的阻力系数R 成反比，其具体关系式如
(1）对象输出的变化特点 对式（2-9）求导，可得h在t时刻变化速度，即
e dVh KVQ t /T
dt
T
当t=0时，得h的初始变化速度
（2-10）

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

热工控制系统课堂ppt_第二章热工对象的动态特性及其求取


2.动态方程和传递函数:
由于Q2＝0,据水位变化速度与不平衡流量成正比关系有：
dh K F dt
(2-8)
式2-8为无自平衡能力单容水箱的动态方程。 表明： 在流入侧阶跃扰动下，其被调量水箱水位的变化速度在扰动 量一定时仅与水箱的容量系数有关。 在水箱截面积F 一定时，水位就会按一固定的速度－－初始 速度变化，表明该对象成积分特性。 式2-8在初始条件为零时的解为：
h t
K F
t
(2-9)
取式2-9拉普拉斯变换得：
H S
S
1 1 = F S TS
K
(2-10)
无自平衡能力单容水箱的传递函数 式中 , T F K 称为积分时间。
根据飞升速度定义知：
dh dt t 0 K F
根据自平衡率定义，无自平衡能力单容水箱的自平衡率：
第二节
有自平衡能力对象的动态特性
分为单容对象与多容对象：
单容对象:对象较为简单,可近视看作由一个集中容积和阻力阻成。 多容对象:对象较为复杂,可近视看作由多个集中容积和阻力阻成。
一. 单容对象动态特性
1. 阶跃响应
单容对象受阶跃扰动后，其响应曲线如下页图：

0 t0 Q
Q2
阀1
1
0
Q1 阀2
0
t0
t Q
Q1
Q0
Q2
Q00 Q10 Q20 t0
h1
1的惯性使得水箱2的水位
变化在时间上落后于扰动 量，对象特性的这种迟延 称为容积迟延。
t
h10
t0
h2
t
Tc
p
b
h20
t0
c

第二章调节器和调节系统的调节


（二）双位调节器及调节过程的特点
①双位调节器结构简单，易于调整，价 格低廉。 ②输出信号迅速突变，只能停留在“全 开”和“全关”或“最大”和“最小”两 个位置上，不能连续停留在中间位置，属 于非线性调节器。 ③调节器有差动范围(又称不灵敏区)， 调节器在差动范围内不动作。改变差动范 围，可以改变被调参数被动范围。
一．分类
(一) 按调节器的特性分类
非连续作用式
调节器
｛
双位调节器 脉冲式调节器
连续作用式 调节器

比例调节器(p调节器) 比例、积分调节器(PI调节器) 比例、微分调节器(PD调节器) 比例、积分、微分调节器(PID调节器)
(二)调节器按其作用方式 可分为直接作用式调节器和间接作用 式调节器。 1． 直接作用式调节器 敏感元件感受到调节参数的变化后， 在没有外来能源的条件下，就能推动执 行机构动作的调节器叫直接作用式调节 器。如热力膨胀阀、蒸发压力调节阀等 就属于此类型。
④调节过程是周期的，不衰减的脉动 过程，被调参数在其波动范围内，按 对象本身的飞升曲线规律变化。 ⑤对象的τ 越大，T越小，(即τ ／T 越大)，双位调节的波动范围越大，调 节品质越低。双位调节对于滞后小、 时间常数大的对象较为适宜，特性比 τ ／T小于o．3的对象，可采用双位调 节。
与双位调节类似的还有三位调节。它的 调节器有三种输出状态。 例如，要将室温维持在14—20℃。超过 20℃时，调节器使冷水盘管电磁阀接通； 低于14℃时，将热水盘管电磁阀接通， 在14—20℃之间时，二者都不通。三位 调节器与电动执行器配合使用时，可以 实现正转，反转和不转三种调节动作。
对于浮球液位控制器，比例系数可按下式 求得： b a a l h K p h b h l

化工仪表及自动化第2章 第三节 描述对象特性的参数

化工仪表及自动化
第二章 过程特性及其数学模型
内容提要
化工过程的特点及其描述方法
对象数学模型的建立
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
1
第三节 描述对象特性的参数
一、放大系数K
对于前面介绍的水槽对象，当流入流量Q1有一定的阶跃 变化后，液位h也会有相应的变化，但最后会稳定在某一 数值上。如果我们将流量Q1的变化ΔQ1看作对象的输入， 而液位h的变化Δh看作对象的输出，那么在稳定状态时， 对象一定的输入就对应着一定的输出，这种特性称为对象 的静态特性。
用初始条件y(0)=0， y(0)=0代入式（ 2-52 ）
可分别解得
ห้องสมุดไป่ตู้
C1
T1 T2 T1
KA
C2
T2 T2 T1
KA
（2-53） 图2-22 具有容量滞 后对象的反应曲线
（2-54）
42
第三节 描述对象特性的参数
将上述两式代入式（2-52），可得
y t
T1 T2
T1
et
T1
T2 T2 T1
图2-24 滞后时间τ示意图
结论
自动控制系统中，滞后的存在是不利于控制的。所以，在设 计和安装控制系统时，都应当尽量把滞后时间减到最小。
45
2. 容量滞后 一般是由于物料或能量的传递需要通过一定阻力而引起的。
举例 前面介绍过的两个水槽串联的二阶对象
将输出量h2用y表示，输入量Q1用x表示，则方程式可写为
T1T2
d2y dt 2
T1
T2
dy
dt
y
Kx
（2-46）
假定输入作用为阶跃函数，其幅值为A。已知，二阶常系 数微分方程式的解是

第2章 过程装备控制基础-2.1

之间的数学表达式。 则该被控对象的数学模型就是 H 和 Q1 之间的数学表达式。
• 其动态物料平衡关系有： 其动态物料平衡关系有：
dV dH Q1 − Q 2 = ＝A × dt dt
• 在静态时， dV/dt=0, Q1=Q2； 在静态时， ； • 发生变化时， 当Q1发生变化时，液位 将随之 发生变化时 液位H将随之 变化， 变化，水槽出口处的静压力随之 发生变化，流出量 亦发生变化 亦发生变化。 发生变化，流出量Q2亦发生变化。 假设其变化量很小， 假设其变化量很小，可近似认为 Q2与液位 成正比，而与出水阀 与液位H成正比 与液位 成正比， 的水阻R2成反比， 的水阻 成反比，即 成反比
1
dV 为贮存量的变化率 dt
Q1
Q2 2
H Q2 = R2
在讨论被控对象的特性时，被控对象的出水阀开度不变， 在讨论被控对象的特性时，被控对象的出水阀开度不变， 因此阻力R2为常数。所以有： 因此阻力 为常数。所以有： 为常数
dH A × R2 × + H = R2 × Q1 dt
令T = AR2＝R 2 C, K = R2 , 则
• 输入变量是控制系统的操纵变量和干扰信号， 输入变量是控制系统的操纵变量和干扰信号， 是控制系统的操纵变量和干扰信号 输出变量是控制系统的被控变量（控制要求）。 输出变量是控制系统的被控变量（控制要求）。 是控制系统的被控变量 • 被控对象输入变量与输出变量之间的联系称为通道。 被控对象输入变量与输出变量之间的联系称为通道。 通道
H
突然有一阶跃变化量△ ， 突然有一阶跃变化量△Q1，则相 应液位变化量
∆H = K × ∆Q1 1 − e
(
−( t −t 0 ) T
)

2控制对象的动态特性及其传递函数的求取(两点法、切线法)解读


具有纯迟延的对象
Q0
Q1
e-τs
纯迟延
μ
Kμ
Q0
1 FS
1 Rs
Q1
_ Q2
h
阶跃响应
阶 跃 响 应 曲 线
0
传递函数
H ( s) K e 0 s ( s) Ts 1
特征参数
可用三个参数描述即K、T、0
W ( s ) W1 ( s )e
0 s
W1(s)—无纯迟延时传递函数
a
容量迟延时间τ
C
多容有自平衡对象可用下列传递函 数表示：
2.无自平衡能力多容对象
自平衡单容对象
无平衡单容对象
无自平衡能力多容对象
μ
Kμ
Q0
_
1 F1 S
h1
1 R1
Q1
1 F2 S
h2
自平衡单容对象
无平衡单容对象
阶跃响应
特征参数
多容无自平衡能力的对象的动态特 性可用两组参数描述：
Ta、 和 、
可用下列传递函数表示:
1 1 s W ( s) 或 W ( s ) e Ta s(Ts 1) n Ta s
具有纯迟延的对象
容积迟延:在多容对象中，由于容积增 多而产生容积滞后。 纯迟延：由于信号的传递产生的滞后 叫传递滞后。
对象即有纯迟延又有容积迟延，那么我们 通常把这两种迟延加在一起，统称为迟延，用 τ来表示即τ＝C＋0
K0 h（） T T
响应曲线在起始 点切线的斜率
K 0 T dh t 0 dt
时间常数T的物理意义 ：当 对象受到阶跃输入后，被调量 如果保持初始速度变化，达到 新的稳态值所需的时间就是时 间常数
特征参数
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2. 放大系数K对系统的影响
控制通道
放大系数越大，操纵变量的变化对被控变量 的影响就越大，控制作用对扰动的补偿能力强，有利于克 服扰动的影响，余差就越小；反之，放大系数小，控制作 用的影响不显著，被控变量变化缓慢。
但K过大，会使控制作用的影响过强，系统稳定性下降。
干扰通道
当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大， 被控变量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数 小，即使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影响。
对象特性实验注意事项
1.
2. 3.
4.
5.
6.
实验应在其它条件相对相对稳定时进行； 条件变化与结果记录应同时进行，以便分析滞后时间； 实验结果的记录应持续到输出量达到稳定态为止； 尽可能增加实验点数，必要时可进行重复实验，以提 高精度； 对实验数据中的奇异点，要认真分析，尽量排除。 注意实验中的异常变化，必要时做好预防措施，以策 安全。
令 ：k1 R1 , T1 A1 R1 ，则有
2
K R2 , T2 A2 R2
d h2 dh2 T1T2 (T1 T2 ) h2 KQ1 2 dt dt
Q1
四、常用实验建模方法
1．阶跃反应曲线法
方法：用实验的方法测取对象在阶跃输入 作用下，输出量 随时间的变化规律。 优点：方法比较简单，不需要专用设备和 仪器。


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 扰动变量（输入量）
操纵变量（输入量） 被控变量（输出量）
操纵变量（输入量）
三、数学模型

对象的数学模型可以分为静态数学模型和动态 数学模型。
• 静态数学模型描述的是对象在稳定时（静态）的 输入与输出关系； • 动态数学模型描述的是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。
dh2 dh2 h2 得② Q12 A2 dt Q2 A2 dt R 2
Q2
h2
dQ12 d 2 h2 1 dh2 A2 对②求导，得③ dt 2 R2 dt dt
dh dh2 1 1 (Q1 A2 Q2 ) A1 dt 将②代入①，得 dt dh2 h 1 (Q1 A2 2 ) A1 dt R2
三、 典型简单对象的机理建模

一阶对象：系统输入、输出关系（动态特性） 可以用一阶微分方程来表示的控制对象。 积分对象：系统动态特性可以用一阶积分方程 来表示的控制对象。


二阶对象：系统动态特性可以用
二阶微分方程来表示的控制对象。
1. 一阶对象----水槽对象
Q1
h Q2
由物料平衡可得： (Q1-Q2) =Adh/dt 由静压关系：Q2 =h/Rs RS——局部阻力项 由此可得： h+A Rs (dh/dt)= RSQ1 或:令 K=Rs ; T=A· Rs，则有
这种应用对象的输入、输出的实测数据来决定对象模型的结 构和参数的方法，通常称为系统辨识。
机理建模与实验建模各有其特点，目前一种比较实用的方法 是将两者结合起来，称为混合建模。这种建模的途径是先由 机理分析的方法提供数学模型的结构形式，然后对其中某些 未知的或不确定的参数利用实测的方法给以确定。这种在已 知模型结构的基础上，通过实测数据来确定其中的某些参数， 称为参数估计。
3. 其他方法


除了应用阶跃干扰与矩形脉冲干扰作为实验测 取对象动态特性的输入信号型式外，还可以采 用矩形脉冲波（连续、多个矩形脉冲）和正弦 信号等来测取对象的动态特性，分别称为矩形 脉冲波法与频率特性法。 近年来，对于一些不宜施加人为干扰来测取 特性的对象，可以根据在正常生产情况下长期 积累下来的各种参数的记录数据或曲线，用随 机理论进行分析和计算，来获取对象的特性， 称为数据挖掘。
§2.3 描述对象特性的参数 一、放大系数K
1.在系统稳定条件下，输入量与输出量之间 的对应关系——系统的静态特性。
例如简单水槽对象，其数学模型为 ： t 在阶跃输入下，解此方程，得 h(t ) KQ1 (1 e T ) 在系统稳定时 t
T dh h KQ1 dt
三、滞后时间τ

对象在受到输入作用后，被控变量却不能 立即而迅速地变化，这种现象称为滞后现 象。
即： 对象的过渡过程时间 = 3倍的时间常数T。

T反映了对象输出对输入的响应速度
T越大，响应越慢。如水槽对象中 T=ARS ，说 明水槽面积越大，水位变化越慢。 在相同的 阶跃输入作用
下，对象的时
间常数不同时，
被控变量的响
应曲线如图所 示。
2. 时间常数T对系统的影响
控制通道 在相同的控制作用下，时间常数大，被控 变量的变化比较缓慢，此时过程比较平稳，容易进 行控制，但过渡过程时间较长；若时间常数小，则 被控变量的变化速度快，控制过程比较灵敏，不易 控制。时间常数太大或太小，对控制上都不利。 干扰通道 对于扰动通道，时间常数大，扰动作 用比较平缓，被控变量的变化比较平稳，过程 较易控制。
A
h
t0
t
t0
t
为了提高精度，就必须加大所施加的输入作用幅值，对正常生 产的影响增加，工艺上往往是不允许的。 一般所加输入作用的大小是取额定值的5％ ~ 10％。因此，阶 跃反应曲线法是一种简易但精度较差的对象特性测试方法。 缺点：主要是对象在阶跃信号作用下，从不稳定到稳定一般所 需时间较长，在这样长的时间内，对象不可避免要受到许多其 他干扰因案的影响，因而测试精度受到限制
h
(Q A
1
C )dt
3. 二阶对象 串联水槽对象
Q1 仍旧设液位——流量为线性关系，即有 h1 h2 Q12 Q2 R2 R1
(Q1 Q12 ) A1 dh1 / dt
(Q12 Q2 ) A2 dh2 / dt
h1 Q12 得①
dh1 1 (Q1 Q12 ) dt A1
h() KQ1
K的物理意义：可以这样来理解：如果有一定的输入 变化量ΔQ1，通过对象被放大了K倍，变为输出变化 量Δh。

放大倍数K的物理意义
K表明了稳态时，输出对输入的 x 放大倍数 。求法： K = y(∞ ) / x0
x0
t
K 越大，表示对象的输入
y
对输出的影响越大。
y(∞ ) t
完全了解，而且线性的并不多，加上分布参数元件又特别多(即 参数同时是位置与时间的函数)，所以对于某些对象，人们还难 以写出它们的数学表达式，或者表达式中的某些系数（参数）需 要许多前提条件（假设），或难以确定。
2. 实验研究——实验建模
有些系统的输入与输出之间的关系是比较难以通过 计算来获得的。需要在实际系统或实验系统中，通过一 组输入来考察输出的跟随变化规律——反映输入与输出 关系的经验曲线和经验函数关系。例如：分度表
2．矩形脉冲法

当对象处于稳定工况下，在 t 0 时间突然加一阶跃 干扰，幅值为A，到 t1 时突然除去阶跃干扰，这时 测得的输出量 y 随时间的变化规律，称为对象的矩 形脉冲特性，而这种形式的干扰称为矩形脉冲干扰。

由于加在对象上的干扰，经过一段时间后即被除去， 因此干扰的幅值可取得比较大，以提高实验精度； 对象的输出量又不致于长时间地偏离给定值，因而 对正常生产影响较小。目前，这种方法是测取对象 动态特性的常用方法之一。第二章 被Fra bibliotek对象的数学模型
§2.1 化工对象的特点及其描述方法
控制效果取决于调节对象（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。

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很大 2. 类型繁多，特性相差悬殊 3.非线性、分布参数较多
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。
• 对象的数学模型：对象特性的数学描述。

通道：被控过程的输入量与输出量间的信号联系
K值越大，系统灵敏度越高。 在实际工艺系统中，通常采用比较K值的方法来选择主 要控制参数。当然，由于工艺条件和生产成本的制约，实 际上并不一定都选择K值最大的因素作为主控参数。
二、 时间常数T

1.时间常数是动态参数，用来表征被控变量的 快慢程度。
从图中可以看到，截面积大的水槽与小的水槽相比，当进 口流量改变同样一个数值时，截面积小的水槽液位变化快， 并迅速趋向新的稳态值。 同理，夹套蒸汽加热的反应器与直接蒸汽加热的反应器 相比，当蒸汽流量变化时，直接蒸汽加热的反应器内反应 物的温度变化就比夹套加热的反应器来得快。
之间的关系。对象的参量模型可以用描述对象输人、 输出关系的微分方程式、偏微分方程式、状态方程、 差分方程等形式来表示。
§2.2 对象数学模型的建立
一、建模目的 (1) 控制系统的方案设计 (2) 控制系统的调试和控制器参数的确定 (3) 制定工业过程操作优化方案 (4) 新型控制方案及控制算法的确定 (5) 计算机仿真与过程培训系统 (6) 设计工业过程的故障检测与诊断系统
dh T h K Q1 dt
1. 一阶对象---- RC电路

根据基尔霍夫定律可得： ei iR e0
de0 因为： i C dt