第五章被控过程的数学模型解析

第1章（P15）（1）简述过程控制的特点。

Q：1）系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成；2）被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计；3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高；4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制；5）定值控制是过程控制的主要形式。

（2）什么是过程控制系统？试用框图表示其一般组成。

Q：1）过程控制是生产过程自动化的简称。

它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。

过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行。

2）组成框图：（3）)单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？Q：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。

1）模拟仪表的信号：气动0.02~0.1MPa、电动Ⅲ型：4~20mADC或1~5V DC。

2）数字式仪表的信号：无统一标准。

（4）试将图1-2加热炉控制系统流程图用框图表示。

Q：是串级控制系统。

方块图：（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？Q：1）最大偏差、超调量、衰减比、余差、调节时间、峰值时间、振荡周期和频率。

2）略（8）通常过程控制系统可分为哪几种类型？试举例说明。

Q：1）按结构不同，分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈复合控制系统；按设定值不同，分为定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统。

2）略（10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？Q：1）不是这样。

2）比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。

（11）构成安全火花型防爆系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？Q：1）是。

2）这是构成安全火花型防爆系统的一个条件。

2、综合练习题（1）简述图1-11所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。

第五章被控过程的数学模型第5章思考题与习题5-1 什么是被控过程的数学模型？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。

5-2 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？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。

5-3 建⽴被控过程数学模型的⽅法有哪些？各有什么要求和局限性？解答：P1271）⽅法：机理法和测试法。

2）机理法：测试法：5-4 什么是流⼊量？什么是流出量？它们与控制系统的输⼊、输出信号有什么区别与联系？解答：1）流⼊量：把被控过程看作⼀个独⽴的隔离体，从外部流⼊被控过程的物质或能量流量称为流⼊量。

流出量：从被控过程流出的物质或能量流量称为流出量。

2）区别与联系：控制系统的输⼊量：控制变量和扰动变量。

控制系统的输出变量：系统的被控参数。

5-5 机理法建模⼀般适⽤于什么场合？解答：P128对被控过程的⼯作机理⾮常熟悉，被控参数与控制变量的变化都与物质和能量的流动与转换有密切关系。

5-6 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？解答：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。

5-7 什么是单容过程和多容过程？解答：1）单容：只有⼀个储蓄容量。

2）多容：有⼀个以上储蓄容量。

5-8 什么是过程的滞后特性？滞后⼜哪⼏种？产⽣的原因是什么？解答：1）滞后特性：过程对于扰动的响应在时间上的滞后。

2）容量滞后：多容过程对于扰动的响应在时间上的这种延迟被称为容量滞后。

被控过程的数学模型
被控过程的数学模型可以基于物理原理建立，也可以根据经验或实验数据建立。

常见的数学模型包括：
1. 差分方程模型：将被控变量在不同时间点的变化量与输入变量联系起来，建立差分方程模型。

2. 微分方程模型：考虑系统内部的动态特性，建立微分方程模型来描述系统的状态变化。

常见的微分方程包括一阶、二阶、高阶微分方程。

3. 线性回归模型：对已有的数据进行统计分析，建立被控变量和输入变量之间的线性关系。

4. 神经网络模型：利用神经网络的非线性映射性质，建立被控变量与输入变量之间的复杂映射关系。

5. 模糊逻辑控制模型：考虑现实问题的模糊性和不确定性，建立基于模糊逻辑的控制模型。

6. 最优控制模型：基于最优化理论，建立被控过程的最优控制模型，实现最小化损失或最大化收益。

这些数学模型可以根据实际应用需要选择和组合使用。

《过程控制》课程笔记第一章概论一、过程控制系统组成与分类1. 过程控制系统的基本组成过程控制系统主要由被控对象、控制器、执行器、检测仪表四个部分组成。

（1）被控对象：指生产过程中的各种设备、机器、容器等，它们是生产过程中需要控制的主要对象。

被控对象具有各种不同的特性，如线性、非线性、时变性等。

（2）控制器：控制器是过程控制系统的核心部分，它根据给定的控制策略，对检测仪表的信号进行处理，生成控制信号，驱动执行器动作，从而实现对被控对象的控制。

控制器的设计和选择直接影响控制效果。

（3）执行器：执行器是控制器与被控对象之间的桥梁，它接收控制器的信号，调节阀门的开度或者调节电机转速，从而实现对被控对象的控制。

执行器的响应速度和精度对控制系统的性能有很大影响。

（4）检测仪表：检测仪表用于实时测量被控对象的各项参数，如温度、压力、流量等，并将这些参数转换为电信号，传输给控制器。

检测仪表的准确性和灵敏度对控制系统的性能同样重要。

2. 过程控制系统的分类根据控制系统的结构特点，过程控制系统可以分为两大类：开环控制系统和闭环控制系统。

（1）开环控制系统：开环控制系统没有反馈环节，控制器根据给定的控制策略，直接生成控制信号，驱动执行器动作。

开环控制系统的优点是结构简单，成本低，但缺点是控制精度较低，容易受到外部干扰。

（2）闭环控制系统：闭环控制系统具有反馈环节，控制器根据检测仪表的信号，实时调整控制策略，生成控制信号，驱动执行器动作。

闭环控制系统的优点是控制精度高，抗干扰能力强，但缺点是结构复杂，成本较高。

二、过程控制系统性能指标1. 稳态误差：稳态误差是指系统在稳态时，输出值与设定值之间的差值。

稳态误差越小，表示系统的控制精度越高。

稳态误差可以通过调整控制器的参数来减小。

2. 动态性能：动态性能是指系统在过渡过程中，输出值随时间的变化规律。

动态性能指标包括上升时间、调整时间、超调量等。

动态性能的好坏直接影响到系统的响应速度和稳定性。