第 1 页 世纪 时代开端构成的操控理论被称为 “ 世纪上半叶三大伟绩之一”，在人类社 会 的各个方面有着深远 的影响。操控理论与其他任何学科相同 ，源于社会实践和科学实践 。 在 主动化 的开展 中，有两个 显着的特色：榜首，使命的需求、理论的拓荒与技能手法 的开展 三者彼此推进 ，彼此促进，显现了一幅交织杂乱 ，但又概括分 明的画卷 ，三者 间表 明出明晰 的同步性 ；第二，主动化技能是一 门归纳性 的技能 ，操控论更是一 门广义的学科，在 主动化 的各个范畴，移植和学习起了沟通集合的效果。 主动化技能 的前驱 ，可 以追溯到我国古代，如指南车的呈现。至于工业上 的运用 ，一般 以瓦特 的蒸汽机调速器作为正式起点。工业 主动化 的萌发是与工业革命 一起开端的。这时候 的 主动化设备是机械式的，并且是 自力型的。跟着 电动、液动和气动这些动力源的运用，电 动、液动和气动的操控设备创始了新的操控手法 。 到 第 二 次世 界 大 战前 后 ，控 制 理 论 有 了很 大 开展 。 电信 事 业 的开展 导 致 了 频率域剖析技能和安稳判据的发生。 ）的进一步研 究开发 了易于实 际运用 的 图 。 年 ， 提 出了一种 易于工程运用 的求解 闭环特征方程根 的简略 图解方 法 根轨道剖析办法 。至此 ， 主动操控技能开端构成一套完好 的，以传递 函数为根底 ，在 频率域对单输入单输出 （ ）操控体系进行剖析与规划 的理论 ，这便是今日所谓 的古典控 制理论 。古典操控理论最光辉 的效果之一要首推 控 制 规则 。 操控原理简略 ，易于 完结 ，对 无 时 间延 迟 的单 回路控 制 系 统极 为有 效 ，直 到 现在 停止 ，在 工业 进程 控 制 中有 的体系还运用 操控规则 。经典操控理论最首要 的特 点是 ：线性定常对 象 、 单输入单输 出、完结镇定使命 。即便对这些极简略目标 的描绘及操控使命 ，理论上也 尚不完 整，然后促进现代操控理论的开展。 世 纪 年 代 ，控 制 理 论 迅 猛 开展 ，这 是 以状 态 空 间方 法 为 基 础 ， 以极 小 值 原 理 ）和动态规划办法 （ ）等最优操控理论为特征 的，而 以选用 滤波器 的随机搅扰下的线性二次型体系 （ ， 宣告 了时域办法 的完 成 。现代操控理论在航天、航空、制导等范畴获得 了光辉 的效果 。现代操控理论 中首要得到 透彻研 究 的是 多输入 多输 出体系 ，其 中特别重要 的是对描绘操控体系实质 的根本理论 的建 立 ，如可控性 、可观性 、完结理论 、模范型、分化理论等 ，使操控 由一类工程规划办法进步 成为一 门新 的科学 。为 了扩展现代操控理论 的适用范 围，相继发生和开展 了体系辨识与估 计 、随机操控 、 自习惯操控 以及鲁棒操控等各种理论分支 ，使操控理论 的内容越来越丰厚 。 现代操控理论虽然在航天、航空、制导等范畴获得 了光辉 的效果 ，但关于杂乱 的工业进程却 显得无 能为力 。 从 世纪 时代开端 ，为 了解 决大规模 杂乱体系 的优化 与操控 问题 ，现代操控理论和 体系理论相结合 ，逐步开展构成了大体系理论 （ 。其中心思维是体系 的分 解与和谐 ，多级递阶优化与操控 （ ， 正是运用大体系理论 的模范 ，实 际上 ，大 第 2 页 体系理论仍未打破 现代操控理论 的根本 思维与结构 ，除了高维线性体系之 外 ，它对其他杂乱 体系依然束手无策 。对 于含有许多 不确 定性和难 于建模 的杂乱体系 ，依据常识 的专家 体系 、 含糊操控 、人工神经 网络操控 、学 习操控和依据信 息论 的智 能操控等应运而生 ，它们在许 多 范畴都得到 了 泛的运用 。 从 主动操控体系结构来看 ，现已阅历 了四个 阶段 。 世 纪 时代 是 以基地 式操控 器等 组成 的操控 体系 ，像 自力式温度操控器 、就地式液位操控器等 ，它们 功用往往 限于单 回路控 制 ，时至今 日，这类操控 体系仍没有挑选 ，并且还有 了新 的开展 ，但所 占的 比严峻为削减 。 世纪 时代 呈现 单元 组合 外表 组成 的控 制系 统 ，单元 组合 外表 有 电动和 气动 两大 类 。所谓单元组合 ，便是把 主动操控体系外表按功 能分红若干单元 ，依据 实 际操控 体系结构 的需求进 行适 当 的组合 。因而单元组合外表运用便利 、灵敏 。单元组合外表 之 间用规范共同 信号联络 。气动外表 （ 系 列 ）为 气压信号 。电动外表信号为 直 流 电流信号（ 系列）和 直流 电流 信 号 （ 系 列 ） 。单 元 组 合 仪 表 已延 续 多年 ， 现在 国 内还广 泛运用 。由单元 组合仪 表 组成 的操控 系 统 ，控 制策 略主 要 是 控 制和常用 的杂乱操控体系 （例如 串级 、均匀 、比值 、前馈 、分程和挑选性操控等 ）。 世纪 时代 呈现 了核算机操控体系 ，开端是直接数字操控 （ ）完结集 中操控 ，代 替惯例操控外表 。因为集 中操控 的固有缺 陷 ，未能遍及与推行就被集散操控 体系 （ 所替 代 。 在 硬 件 大将 控 制 回路 分散化 ，数 据 显现 、实 时监 督 等 功 能集 中化 ，有 利 于 安全 平 稳出产 。就操控战略而言， 仍 以简略 控 制 为 主 ，再 加 上 一 些 杂乱 控 制 算 法 ，并 没 有充沛发挥核算机 的功用和操控水平 。 世 纪 时代 今后 呈现二级优化操控 ，在 的根底上 完结先进操控和优化操控 。在 硬件 上选用上位机和 或 电动单元组合外表相 结合 ，构成二级核算机优化操控 。跟着计 算机及网络技能的开展 ， 呈现 了敞开 式体系 ，完结 多层 次核算机 网络构成 的管控一体 化体系（ 。一起 ， 以现 场 总线 为 规范 ，完结 以微 处 理器 为 基 础 的现 场 外表 与控 制 系 统 之间进行全数字化、双 向和多站通讯的现场总线网络操控体系 （ 。它将对操控 体系结构 带来革命性革新，拓荒操控体系的新纪元。 当时 主动操控体系开展 的一些首要特 点是 ：出产设备施行先进操控成为开展干流 ；进程 优化 受 到遍及 重视 ；传 统 的 正在 走 向 世界共同标 准 的开 放 式 系 统 ；归纳 主动 化 系 统 ）是开展方 向。 主动操控体系 出产进程 中，对各个工艺进程 的物理量 （或称工艺变量 ）有着必定 的操控要求 。有些工艺 变量直接表征出产进程 ，对产 品的数量和质量起着决议性 的效果 。例 如 ，精馏塔 的塔顶或塔 釜温度 ，一般在操作压 力不变 的状况 下 ，有必要坚持必定 ，才 能得到合格 的产 品 ；加 热炉 出 口 温度 的动摇不 能超 出答应 范 围 ，否则将影 响后一工段 的效果 ；化学反响器 的反响温度 必 需保 持平稳 ，才 能使 功率达 到目标 。有些工 艺变量 虽不直接地影 响产 品的数量和质量 ，可是坚持 其平稳 却是使出产 获得 杰出操控 的条件 。例 如 ，用蒸汽加热反响器 或再沸器 ，在蒸汽 总压波 动剧烈 的状况 下 ，要把反响温度 或塔 釜温度操控好将 极为 困难 ；中心储槽 的液位高度 与气柜 压 力 ，有必要维持在 答应 的范 围之 内，才 能使物料平衡 ，坚持接连 的均衡出产 。有些工 艺变量 是 决议安全出产 的要素 ，例如 ，锅炉汽包 的水位 、受压容器 的压力等 ，不 答应超 出规 定 的限 第 3 页 度 ，否则将要挟出产 的安全 。还有一些工艺变量直接判定产 品的质量 ，例如 ，某些混合气体 的组成 、溶液 的酸碱度等 。关于 以上各品种 型 的变量 ，在出产进程 中，都有必要加 以必要 的 控 制 。 图 所示是 工业出产 常 见 的锅炉汽包 示 意 图 其液位是一 个重要 的工艺参数 。液位过低 ，影响产汽量 ，且易烧干而发惹事 故；液位过高，影响蒸汽质量，因而对汽包液位应严加操控。 假如全部条件 （包含给水流量、蒸汽量等 ）都近乎安稳不变， 只需将进水 阀置 于某一适 当开度 ，则汽包液位 能坚持在必定高 度 。但 实 际出产进程 中这些条件是改动 的，例如进水 阀前 的压 力改动 ，蒸汽流量 的改动等 。此刻若不进行操控 （即不去改动 阀 门开度 ），则液位将违背规则高度 。因而 ，为坚持汽包液位恒 定，操作人员应依据液位高度改动状况，操控进水量 。 在此 ，把工艺所要求 的汽包液位高度称为设定值 ；把所要求操控 的液位参数称为被控变 量或输 出变量 ；那些影 响被控变量使之违背设定值 的要素称为扰动效果 ，如给水量 、蒸汽量 的改动等 ，设定值和扰动效果都是体系的输入变量 ；用 以使被控变量坚持在设定值范 围内的 效果称为操控效果 。 为 了坚持液位为定值，手艺操控时首要有三步 ： ①调查被控变量 的数值 ，在此即为汽包 的液位 ； ②把调查到 的被控变量值与设定值加 以比较 ，依据二者 的差错巨细或 随时刻改动 的情 况，作出判别，并发布指令； ③依据指令操作给水 阀，改动进水量 ，使液位 回到设定值 。 如选用检测外表和 主动操控设备来替代手艺操控 ，就成为 主动操控体系 。 现 以图 所示 的锅炉汽包液位 主动操控体系为例 ，说 明 自 动操控体系的原理 。当体系遭到扰动效果后 ，被控变量 （液位 ） 发生改动 ，通过检测外表得到其丈量值 。在 主动操控设备 （液 位操控器 中，将 与设定值 比较 ，得到差错 通过运算后 ，宣布操控信号，这一信号效果于履行器 （在此为控 制 阀），改动给水量 ，以战胜扰动 的影 响，使被控变量 回到设定 值 。这样就完结 了所要求 的操控使命 。这些 主动操控设备和被 控的工艺目标组成了一个 主动操控体系。 通 常 ，设定值是 体系 的输入变量 ，而被控变 量是体系 的输 出变量 。输 出变量通过恰当的检测外表 ，又送 回输入端 ，并与输入变量相 比较 ，因而称为反 馈 ，二者相加称为正反响 ，二者相减称为负反响 。输 出变量与输入变量相 比较所得 的成果 叫 做差错 ，操控设备依据差错方 向、巨细或改动状况进 行操控 ，使差错减小或消 除 。发现偏 差 ，然后去除差错，这便是反响操控 的原理 。使用这一原理组成 的体系称为反响操控体系 ， 一般也称为 主动操控体系 。完结 主动操控 的设备可 以各不相 同，但反响操控 的原理却是相 同 的。由此可见 ，有反响存在 ，按差错进行操控 ，是 主动操控体系最首要 的特 点。 闭环操控与开环操控 在反响操控体系 中，被控变量送 回输入端 ，与设定值进行 比较 ，依据差错进行操控 ，控 制被控变量 ，这样 ，整个体系构成 了一个 闭环 ，因而称为 闭环操控 。 第 4 页 闭环操控 的特 点是按偏 差进 行操控 ，所 以不管什 么原 因引起被控变量违背设定值 ，只需 呈现差错 ，就会发生操控效果 ，使差错减 小或消 除 ，到达被控变量与设定值共同 的 意图 ，这 是闭环操控的长处。 因为 闭环操控 体系按 照差错进 行操控 ，所 以尽 管扰动 现已发生 ，但在 没有 引起被控变量 改动之前 ，是不会发生操控效果 的 ，这就使操控 不行及 时 。此 外 ，假如体系 内部各环节合作 不 当 ，体系会 引起剧 烈震动 ，甚至会使 体系失掉操控 ，这 些是 闭环操控 体系 的缺 点 ，在 主动 操控体系 的规划和调试进程 中应加 以留意 。 有 时亦采 用 比较简略 的开环操控办法 ，这种操控方 式不 需求对被控变量进 行丈量 ，只根 据输入信 号进 行操控 。因为不丈量被控变量 ，也不与设定值相 比较 ，所 以体系遭到扰动效果 后 ，被控变量违背设定值 ，并无法消 除差错 ，这是开环操控 的缺 点 。 图 所示是 现在数字程序操控机床 中广泛运用 的精细定位操控体系 。这是一个开环控 制体系 。作业 台位移是被控变量 ，它只依据操控信号 （操控脉冲 ）而改动 。体系 中既不对被控 变量进行丈量 ，也不将 其与操控信 号进 行 比较 ，体系结构 比较 简略 ，但 不 能保证 消 除差错 。 图中步进 电机 是一种 由 “脉冲数 ”操控 的 电机 ，只需输入 一个脉冲 ，电机 就转过 必定视点 ， 称 为 “一步 ” 。所 以依据作业 台所 需求移动 的距 离 ，输入端给 予必定数量 的脉冲 。假如 因为 外界扰动 ，步进 电机多走或少走 了几步 ，体系并不能 “察觉 ”，然后形成差错 。 图 所 示 是 开 环 的液 位 控 制 系 统 。这 里 是 根 据 扰 动 信 号 （蒸汽流量 ）来操控给水量 。这种开环操控仅在蒸汽扰动信 号对 液 位 影 响 时 ，才 进 行补 偿 ，而 对 其 他 影 响液 位 的扰 动 无 控 制 作 用 。因而 ，不能保证液位无差错 。 依据扰动效果进 行操控 的体系 ，虽然不必定 能消 除偏 差 ，但 是 也有 突 出 的优 点 ，即控 制 作 用 不 需等 待 偏 差 产 生 ，控 制 很 及 时 ，关于较频频 的首要扰动 能起 到补偿 的效果 。这种体系称 为前 馈操控 体系 。所用 的操控设备 称为前馈操控器 。 综上所述 ，开环操控与 闭环操控各有特 点 ，应依据 各种 不 同 的状况和要求 ，合理挑选恰当的办法 。前馈 反响操控体系便是开环与 闭环操控 的组合方式 ， 在不少状况下可获得很好的效果。 主动操控体系的组成及方框 图 在研讨 主动操控体系时，为 了更清楚地表明操控体系各环节 的组成 、特性和彼此 间的信 号联络 ，一般都选用方框 图。图 所示是 主动操控体系 的方框 图。每个方框表明组成体系 的一个环节 ，两个方框之间用带箭头 的线段表明信号联络 ；进入方框 的信号为环节输入 ，离 开方框 的为环节输 出。输入会 引起输 出改动 ，而输 出不会反过来直接 引起输入 的改动 ，环节 的这一特性称为单向性。 图 所示方框 图选用下列符号： 设 定值； 测 量 值； 第 5 页 ） 偏 差 ， ） 操控效果 （操控器输出）； ）被控变量 ； ）操 纵变量 ； ） 扰 动 。 检测元件和变送器 的效果是把被控变量 转 化 为 测 量 值 。例 如 ，用 热 电阻或 热 电偶丈量温度 ，并用温度变送器转化为共同 的气压信号 （ 或直流 电流信 号 或 。 比较组织的效果是 比较设定值 与测 量值 并输 出其差值 。在 主动操控体系剖析 中，把 界说为 ） 。可是在外表制造职业 中，却把 ） 作为差错 ， 两者 的符号恰好相反 。 操控设备 的效果是依据差错 的正负、巨细及改动状况 ，按某种预订 的操控规则给 出操控 效果 比较组织和操控设备一般组合在一起 ，称为操控器 。 现在运用最广 的操控器是气动和 电 动操控器 ，它们 的输 出 也是共同的气压或电流信号。 履行器 的效果是承受操控器送来 的 ，相应地去改动操作变量 。最常用 的履行 器是气动薄膜操控 阀，在选用 电动操控器 的场合 ，操控器 的输 出 还 需经 电 气转化器将 共同的电流信号转化成共同的气压信号。 体系中操控器 以外的各部分组合在一起 ，即进程 、履行器 、检测元件与变送器 的组合称 为广义目标。 在剖析操控体系的作业进程 时，有 以下几个很重要 的概念 。 ① 信 息 的 概 念 图 中的 ）和 ）虽然是实 际的物 理量 ，可是它们是作为信息来转化和效果 的。图 中的箭头方 向表明信 息 的流 向。对 于 图 中的两个液位操控体系 ，图 的操作变量是进入量 ，图 的操作变量是流 出量 。作为物料活动方 向来看 ，两者有进 、出之分 ；但作为信 息来看 ，它们都是效果于过 程 ，使液位发生改动 的输入信号 ，因而信息流 的流 向是相 同的。图 中的每一个部分称为 一个环节 ，效果于它 的信息称为该环节 的输入信号 ，它送 出的信息称为输 出信号 。上一环节 的输 出信号便是下一环节 的输入信号 。每一环节 的输 出信号与输入信号之 间的联络只是取决 于该环节 的特性 。从整个体系来看 ，设定值和扰动是输入信号，被控变量或其丈量值是输 出 第 6 页 信 号 。 ② 闭环 的概 念 在 方框 图 中，任 何 一个 信 息沿 着 箭 头方 向前进 ，最 后 又 回到 原本 的起 点，构成一个 闭合 回路 ，这种体系称为 闭环体系 。闭环操控体系的闭合 回路是通过检测元件 及变送器 ，将被控变量 的丈量值 送 回到输入端与设定值 进 行 比较 而 形 成 的 ，所 以 闭环必定要有反响 。 ③ 动 态 的概 念 ）和 ）都是 时 间函数 ，它们 随时 间而变 ，是不断运动 的，在 定值操控体系 中，扰动效果使被控变量违背设定值 ，操控效果 又使它康复到设定值 。扰动与操控构成一对首要矛盾 时 ，被控变量则处于不断运动之 中。 主动操控体系的分类 主动操控体系 的分类办法有 多种 ，这儿按设定值 的不 同状况 ，将 主动操控体系分为三 类 ，即定值操控体系、随动操控体系和程序操控体系 。 定值操控体系 设定值坚持不变 （为一安稳值 ）的反响操控体系称为定值操控体系 。这类体系在工业出产 中得到广泛 的运用 ，例如各种温度 、压力 、流量 、液位等操控体系 ；恒温箱 的温度操控 ；稳 压电源的电压安稳操控等。 图 ）所示是一个用 电阻丝加热 的恒温箱温度操控体系 。操控变压器活动触 点的位 置 即改动 了输入 电压 ，则通过 电阻丝 的电流将发生改动 ，使恒温箱得到不 同的温度 。所 以， 操控活动触 点的方位可 以到达操控温度 的 意图。这儿的被控变量是恒温箱 的温度 ，经热 电偶 丈量并与设定值 比较后 ，其差错通过扩大器扩大 ，操控 电动机 的转 向，然后通过传动设备 ， 移动变压器 的活动触 点方位 。成果使差错削减 ，直到温度到达设定值停止 ，体系 的方框 图如 图 ）所示 。 ）随动操控体系 第 7 页 这 类 控 制 系 统 的 特 点 是 设 定 值 不 断 变 化 ，且 事 先 是 不 知 道 的 ， 并 要 求 系 统 的 输 出 （被 控 变 量 ）随之 而 变 化 。例 如 雷 达 跟 踪 系 统 。各 类 测 量 仪 表 中 的变 送 器 本 身 亦 可 以看 做 是 一 个 随动 控 制 系 统 ，它 的输 出 （指 示 值 ）应 迅 速 和 正 确 地 跟着 输 入 （被 测 量 值 ）而 改动 。 图 所示是 主动平衡 电子 电位差计暗示 图。电动平衡 电子 电位差计实 际 是一种 电 压 转化 器 ，将 被 测 电压 转 换成 角位移 ，通过传 动 机 构 显现 出来 。其 动 作 原理 是 ：被 测 电压 与 滑 线 电阻上 的反 馈 电压 相 比较 ，其偏 差 经放 大器 扩大 ， 由可逆 电机 移 动滑 线 电阻活动 触 点 ， 改动反 馈 电压 ，使 之与被 测 电压 相平 衡 ，一起通 过传 动 机 构 使 被测 电压 显现 出来 。只需被 测 电压发 生 改动 ，就 有偏 差进入 放 大器 ，体系就会 动作 ，直 到被 测 电压 与反 馈 电压平 衡 停止 。 其方框 图如 图 所 示 。显 然 ， 主动 平 衡 电子 电位 差 计 是 一 个 典 型 的 随动 系 统 ，它 的输 出跟 随输入改动 ，输 出与输入之 间存在着单值 份额 联络 。 图 ）是工业出产 中常用 的比值操控体系 。出产上要求将物料 与物料 配成一 定 份额送至下一工序 。物料 代表出产负荷 ，常常发生改动 。若 发生改动 ， 也需随 之发生改动 ，使坚持 比值 不变 。为 了满 足这个要求 ，就组成 了图 ）的 比值控 制 体系，其动作原理是：当 发生改动时， 经丈质变送 ，并乘 以某一 份额系数 后 ，作 为物料 操控器 的设定值 。此 时 因为设定值改动而发生差错 ，使 动作 ，然后 改动 使之与 的比值坚持不变 ；若 因为 本 身改动 时 ， 由丈量改动而发生差错使 动作 ， 操控 使之康复到原值 ，然后坚持 比值不变 。图 是该体系 的方框 图，从 图中可 以清 楚地看出，该体系也是一个随动操控体系。 ）程序操控体系 第 8 页 这类操控 体系 的设定值 也是改动 的 ，但 它是一个 已知 的时 间函数 ，即依据 需求按必定 时 间程序改动 ，例如程序操控机床 、冶金工业 中退火炉 的温度操控等 。 图 所示 是某 电炉炉温程序操控 体系示 意 图。给 定 电压 由程序设备给 出 （依据需 要 按 时 间变 化 ， 山时钟 机 构 和 凸轮 产 生 ） ，并 与 热 电偶 所 产 生 的热 电动 势 比较 。若 ，则扩大器输入端有差错 电压 ；发生 ，此 电压经扩大后送到 电动机 。电 动 机 依据 偏 差 大 小和极 性 而 动 作 ，经 减 速 器 改动 电炉 电阻丝 的 电流 ，使 电炉 内温 度 发 生 变 化 ，直至 停止 。此 时扩大器将 无偏 差 电压输入 ，电动机 不滚动 。当 按必定程序 改动 时 ，电炉温度也随之而改动 ，使热 电动势 不时盯梢 静态 与动态 主动操控 体系 的输入有两种 ，其 一是设定值 的改动或称 设定效果 ，另一个是扰动 的改动 或称扰动效果 。当输入恒 定不变 时 ，整个体系若 能树立平衡 ，体系 中各个环节将 暂不动作 ， 它们 的输 出都 处 于相对 静 止 状 态 ，这 种 状 态 称 为 静 态 或 定态 。例 如 前述 锅 炉 汽 包 液位 系 统 中 ，当给水量 与蒸汽量持平 时 ，液位坚持不变 ，此 时称 体系达 到 了平衡 ，亦 即处于静态 。这 里所说 的静态 ，并非指体系 内没有物料 与能量 的活动 ，而是指各个参数 的改动率为零 ，即参 数坚持不变 。此 时输 出与输入之 间的联络称为体系 的静态特性 。 相同 ，对 于任何一个环节来说 ，也存在静态 。在坚持平衡 时的输 出与输入联络称 为环节 的静态 特 性 。 体系和环节 的静态特性是很重要 的 。体系 的静态特性是操控 质量 的重要 一环 ；对 象 的静 态特性是扰动剖析 、确 定操控计划 的根底 ；检测设备 的静态特 性反 映 了它 的精度 ；操控设备 和履行器 的静态特性对操控 质量有显着 的影响 。 假 若 一个 体系 原本 处 于 静 态 ， 因为 呈现 了扰 动 ，即输入 起 了变 化 ，系 统 的平 衡 受 到破 坏 ，被控变量 （即输 出）发生改动 ， 主动操控设备就会动作 ，进行操控 ，以战胜扰动 的影响 ， 力 图使 体系恢 复平衡 。从输入开端 ，通过操控 ，直到再树立静态 ，在这段 时 间 中整个 体系 的 各个环节和变量 都处于改动 的进程之 中 ，这种状况称 为动态 。另一方面 ，在 设定值改动 时 ， 也 引起动态进程 ，操控设备力 图使被控变量在新 的设定值或其 邻近 树立平衡 。总归 ， 因为输 入 的改动 ，输 出随时刻而改动 ，其 间的联络称为体系 的动态特性 。 相同 ，对任何一个环节来说 ，当输入改动 时 ，也 引起输 出的改动 ，其 间的联络称为环节 的动态 特 性 。 第 9 页 在操控体系 中，了解动态特性甚至 比静态特性更为重要 ，也可 以说 ，静态特性是动态特 性 的一种极限状况 。在定值操控体系 中，扰动不断发生 ，操控效果也就不断战胜其影 响，系 统总是处于动态进程 中。相同 ，在 随动操控体系 中，设定值不断改动 ，体系也总是处于动态 进程 中。因而 ，操控体系的剖析重 点要放在体系和环节 的动态特性上 ，这样才干规划 出 杰出 的操控体系 ，以满意出产提 出的各种要求 。 主动操控体系 的过渡进程 当 主动操控体系的输入发生改动后，被控变量 （即输出）随时刻不断改动，它随时刻而改动 的进程称为体系的过渡进程。也便是体系从一个平衡状况过渡到另一个平衡状况的进程 。 关于一个安稳的体系 （一切正常作业 的反响体系都是安稳体系 ）要剖析其安稳性、精确性 和快速性 ，常 以阶跃效果为输入时的被控变量 的过渡进程为例 ，因为阶跃效果很典型 ，实 际 上也常常遇到 ，且这类输入改动对体系来讲是 比较严峻 的状况 。假如一个体系对这种输入有 较好的呼应 ，那么对其他方式的输入改动就更能习惯 。 定值操控体系 的过渡进程几种方式如 图 所 示 。 图 ）是发散振 荡 ，被控变量 一向处于振动状况 ，且振 幅逐步添加 。图 是单调 发散 ，被控 变 量 虽不振 荡 ，但 偏 离原本 的静态 点越来越远 。以上两种方式都归于不安稳 ，而体系安稳是正常作业 的条件 。 图 ）是等幅振动 ，亦称 中性 ，处于安稳与不安稳 的鸿沟，这种体系在一般状况下不采 用 。图 是衰减振动，图 ）是单调衰减 ，这两种方式都是安稳的，即遭到扰动作 用后 ，通过一段时刻，终究能趋于一个新 的平衡状况 ，故这两种方式是可 以选用 的。 安稳 的随动体系过渡进程如 图 所示 。 主动操控体系 的质量目标 图 是定值操控体系和 随动操控体系在 阶跃效果 下 的过 渡进程 呼应 曲线 。一个 操控系 统在 遭到外作 用 时 ，要 求被 控变 量要平稳 、迅 速和 精确地 趋近 或恢 复到设定值 。 因而 ，在 安稳性 、快速 性和 精确性三个 方面 提 出各种 单项 操控 目标 和归纳性操控 目标 。这些操控 目标仅适 用于衰减 振 荡 进程 。 第 10 页 ）单项操控目标 ① 衰 减 比 衰 减 比是衡量 过 渡过 程 稳 定 性 的动 态 目标 ，它 的定 义是第 一个 波 的振 幅 与 同方 向第 二个波 的振 幅之 比。在 图 中 ，若用 表明榜首个波的振幅， 表明 同方 向 第二个波 的振幅，则衰减 比 。显着，对衰减振动而言， 恒 大 于 越小 ，意味 着操控体系的振动进程越剧烈，安稳度也越低， 接 近 于 时 ，操控体系 的过渡进程挨近 于 等幅振动进程 ；反之 ， 越 大 ，则操控 系 统 的稳 定度 也越 高 ，当 趋 于 无 穷大 时 ，控 制 系 统 的过渡进程挨近 于非振 荡进程 ，衰减 比终究 以多大为适宜 ，没有切当 的结论 ，依据 实 际操 作 经 验 ，为 保 持 满意 的稳 定裕 度 ，一般 希 望 过渡 过 程 有 两个 波 左 右 ，与此 对 应 的衰减 比在 到 的范 围内。也有人用衰减率来反 映衰减状况 ， （ 相 当 于 相 当于 ② 最 大 动 态 偏 差 或超调量 最大动态差错或超 调量是描绘被控变量违背设定值 最 大程度 的物理量 ，也是衡量过渡进程稳 定性 的一个动态 目标 。关于定值操控 体系 ，过渡进程 的最 大 动 态 偏 差 是 指 被 控 变 量 第 一 个 波 的峰值 与 设 定值 之 差 ，如 图 ）中 的 。在设定效果下 的操控体系 （随动操控体系 ）中，一般选用超调量这个目标来表明被 控变量偏 离设定值 的程度 ，它 的界说是第 一个波 的峰值 与终究稳态值之差 ，见 图 中 的 。一般 超调 量 以百分 数给 出 ，即 最 大动 态 差错 或超调 量 越 大 ，出产 过 程 瞬 时偏 离设 定值就越 远 。对 于某 些 工艺要 求 比较 高 的生 产 进程 ，例 如存 在 爆破 极 限的化 学反 应 ，就 需求 约束 最 大动 态 差错 的答应值 ；一起 ， 考 虑 到扰 动会 不 断 呈现 ，差错 有 可 能是 叠加 的 ，这就 更 需求 约束最 大 动态 偏 差 的答应 值 。因 此 ，有必要依据 工艺条件确 定最大差错或超调量 的答应值 。 ③ 余 差 ）余 差 是 控 制 系 统 过 渡 过 程 终 了 时 设 定 值 与 被 控 变 量 稳 态 值 之 差 ， 即 。图 ）是定值操控体系 的过渡进程 ，其他差 以 表 示 ， 即 的最 终值 。 图 是 随动操控 体系 的过渡进程 ，余差为 是 第 11 页 的终究值 。余差是反 映操控精确性 的一个重要稳态目标 ，一般期望其为零 ，或不超越预订 的 范 围，但不是一切 的操控体系对余差都有很高的要求 ，如一般储槽 的液位操控 ，对余差 的要 求就不是很高，而往往答应液位在必定规模内改动 。 ④ 回复时 间 和振动频率 回复时 间表明操控体系过渡进程 的长短 ，也便是操控 系 统在遭到阶跃外效果后 ，被控变量从原有稳态值到达新 的稳态值所需求 的时刻。严格地讲 ， 操控体系在遭到外效果后 ，被控变量彻底到达终究稳态值 需求无 限长时刻。但实 际受骗被控 变量 的改动起伏衰减到满意小 ，并坚持在一个极小 的规模内所 需求 的时刻仍是有 限的。关于 输入效果下 的操控体系 ，被控变量进入工艺答应 的稳态值所 需求 的时刻称 回复时刻。关于设 定效果下的操控体系 （即随动操控体系 ），被控变量进入稳态值邻近 或 的规模内所 需求 的时刻称为 回复时刻。回复时刻短 ，表明操控体系的过渡进程快 ，即便扰动频频 呈现 ， 体系也能习惯 ；反之 ，回复时 间长 ，表明操控体系 的过渡进程慢 。显着 ，回复时 间越短越 好 。它是反映操控快速性的一个目标。 在衰减 比相 同的条件下 ，振动频率与 回复时刻成反 比，振动频率越高 ，回复时刻越短 。 因而振动频率也可作为衡量操控快速性 的目标 ，定值操控体系常用振动频率来衡量操控体系 的快慢 。 有必要说 明，这些操控目标在不 同的操控体系中各有其重要性 ，并且彼此之 间又有着 内涵 的联络 。高规范地 一起要求满意这几个操控目标是很 困难 的，因而 ，应依据工艺出产 的详细 要求辨明主次，差异轻重 ，关于首要 的操控目标应优先保证 。 ）归纳操控目标 因为过渡进程 中动态差错越大 ，或是 回复时刻越长 ，则操控 质量越差 。所 以归纳操控指 标选用积分判定的方式。 式 中， 为积分判定值； 为动 态偏 差； 为 回复时刻。 一般选用三种表达方式。 ① 平 方 积 分 鉴 定 ②绝对值积分 判定 若用动态差错 作 为 函数 ，正 、负差错将彼此抵消 。即便 值很大或剧烈动摇， 值 依然 可 以很 小 ，所 以用 或 ，一般用于判定定值操控体系质量目标。 ③ 时刻乘 以绝对值 的积分判定 上式是为 了突 出快速性 的要求 ，一般用于 随动操控体系 的质量目标判定 。 关于有余差的体系，存在 ，三种 方式 的积分判定值 都将趋于无 穷大 ，无法鉴 定 体系 的操控质量 ，为此选用 ）作为动态差错项代入 。 主动操控 体系操控质量 的好坏 ，取 决于组成操控 体系 的各个环节 ，特 别是进程 的特 性 。 主动操控设备应按进程 的特性加 以适 当 的挑选和调整 ，才 能到达预期 的操控质量 。假如进程 第 12 页 和 主动操控设备两者合作不 当，或在操控体系运转进程 中 主动操控设备 的功能或进程 的特性 发生改动 ，都会影 响到 主动操控体系 的操控质量 ，这些这些 问题在操控体系 的规划运转进程 中都应该充沛留意 。 考虑题与 习题 闭环操控体系与开环体系操控有什么不同？ 什么是负反响 ，为什么 主动操控体系要选用负反响 ？ 按设定值 的不 同， 主动操控体系可分为哪几类 ？ 主动操控体系首要 由哪些部分组成？ 主动操控体系的单项操控目标有哪些 ？ 结合所学专业 ，画出一个 主动操控体系的实践比如 。 第 13 页 在工业出产进程 中，最常见 的被控进程是各类热交换器 、塔器 、反响器 、加热炉 、锅 炉 、窑炉 、储液槽 、泵 、压缩机等 。每个进程都各有其 本身 固有特性 ，而进程特性 的差异对 整个体系 的运转操控有着严峻影 响 。有 的出产进程较 易操作 ，工艺变量 可以操控得 比较平 稳 ；有 的出产进程很难操作 ，工艺变量简略发生大起伏 的动摇 ，只需稍不慎重就会越 出工艺 答应 的范 围，轻则影 响出产 ，重则形成事端 。只要充沛 了解和了解出产进程 ，才干称心如意 地操作 ，使工艺出产在最佳状况下进行 。在 主动操控体系 中，若想选用进程操控设备来模仿 操作人员的劳作 ，就有必要充沛 了解进程 的特性 ，把握其 内涵规则 ，确认适宜 的被控变量和操 纵变量 。在此根底上才干选用适宜 的检测和操控外表 ，挑选合理 的操控器参数 ，规划符合工 艺要求 的操控体系 。特别在规划新式 的操控计划时，例如前馈操控 、解耦操控 、时滞补偿控 制 、猜测操控 、软丈量技能及揣度操控 、 自习惯操控 、核算机最优操控等 ，大都都要涉及到 进程 的数学模型，更需求考虑进程特性。 所谓进程特性 ，是指 当被控进程 的输入变量 （操作变量或扰动变量 ）发生改动 时 ，其 输 出变量 （被控变量 ）随时 间的改动规则 。进程各个输入变量对输 出变量有着各 自效果途 径 ，将操作变量 对 被 控变 量 的效果途径称为操控通道 ，而将扰动 对被控变 量 的作 用 途 径 称 为 扰 动 通 道 。在 研 究过 程 特 性 时 对 控 制 通 道 和 扰 动 通 道 都 要 加 以 考虑。 广义目标特性可 以通过操控效果 作阶跃改动 （扰动 不变 ）时被控变量的时刻特 性 ，以及扰动 作阶跃改动 （操控效果 不变 ）时被控变量 的时刻特性 来 获 得 。用 图形表明时，前者称为操控通道 的呼应 曲线，后者称为扰动通道 的呼应 曲线 。 呼应 曲线可分为四品种型。 自衡的非振动进程 在 阶跃效果下，被控变量不经振动 ，逐步 向新 的稳态值挨近 ，称 自衡 的非振动进程 。图 所示 的液体储槽 中的液位高度 和 图 所示 的蒸汽加 热器 出 口温度 都具有 这种特 性，其呼应 曲线示于 图 ，图 在 图 中，当进料 阀开度增大、进料量添加时，损坏 了 储槽 原有 的物料平 衡状况 。 因为进料 多于 出料 ，剩余 的液体 在储槽 内积蓄起来 ，使储槽液位升高 。跟着液位 的上 升 ，出 料量也 因静压头 的添加而增大 。这样进 、 出料量之差会逐步 减小，液位上升速度也逐步变慢 ，终究 当进 、出料量持平时， 液位也就安稳在一个新 的方位 上 。显着这 种进程会 自发地趋 于新 的平衡状况 。 图 所 示 蒸汽加 热器 也有 类 似 的特 性 。当蒸汽 阀 门开 大 ，流入蒸汽流量 增大 时 ，热平衡被损坏 。 因为输入 热量大 第 14 页 于输 出热量 ，剩余 的热量 加 热 管壁 ，继而 使 管 内流 体 温 度 升 高 ，出 口温 度 也 随之 上升 。这 样 ，跟着输 出热量 的增大 ，输入 、输 出热量之差会逐步减小 ，流体 出 口温度 的上升速度也逐 渐变慢 。这种进程终究也能在新 的出 口温度下 自发地树立起新 的热量平衡状况 。 这种进程在化工 主动操控体系中最为常见，并且也 比较简略操控 。 ）无 自衡 的非振动进程 这类进程在 阶跃效果下 ，被控变量会一向上升或下降，直到极限值 。图 ）所 示 也 是一个液体储槽 ，它与 图 所示 的液体储槽不同在于 出料不是用 阀门节省 ，而是用定量泵 抽 出，因而 当进料量添加后 ，液位 的上升不会影 响 出料量 。当进料量作 阶跃改动后 ，液位等 速 上升 ，不 能树立起新 的物料平衡状况 ，其 呼应 曲线见 图 所 示 。 具有无 自衡 的非振动进程 ，也或许 呈现如 图 所示 的呼应 曲线 。通 常无 自衡进程要 比 自衡进程难操控一些。 ）自衡 的振动进程 在 阶跃效果下 ，被控变量 呈现衰减振动进程 ，终究能趋 向新 的稳态值 ，称 自衡 的振动过 程 ，见 图 。这类进程不多见 。显着具有振动的进程也较难操控。 ）具有 反 向特性 的进程 有少量进程会在阶跃效果下，被控变量先降后升 ，或先升后降，即开始时的改动方 向与 终究 的改动方 向相反 ，呈现 图 所示 的反 向特性 ，例如锅炉水位操控 。处理这类进程有必要 非常慎重，要防止误向操控动作。 第 15 页 在 以上介 绍 的 种不 同类型 的进程 中，以有 自衡非振动进程最为多见 。 在研讨被控进程特性时一般有必要将详细进程 的输入 、输 出联络用数学方程式表达 出来 ， 这种数学模 型又称为参量模 型 。数学方程 式有微分方程 式 、偏微分方程 式 、状况方程等形 式 。树立数学模型最根本 的办法是依据被控进程 的内部机理列写各种有关 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 以及某些物性方程 、设备特性方 程 、化学反响规则 、电路根本规则等 ，然后获得被控进程 的数学模型 。这种树立数学模型 的 办法称为机理建模办法 ，所树立 的数学模型又称为机理模型。 图 为直接蒸汽加热器 的暗示 图。图中 为热物料 出口温度， 为热物料 流量 ， 为热物 料在单位 时 间 内 带走 的热量 ； 为冷物料进 口温度 ， 为冷物料流量， 为热物料在单位时刻内带入 的热量 ； 为加热蒸汽在 单位 时 间 内带入 的热量 。 因为蒸汽相关于冷物料 的耗用量 较少 ，当进程处于原有安稳状况 时，可近似以为 。若物料 的比热容为 ，近似作常数处理 ，且 疏忽热 损 ，单位 时 间 内输入进程 的热量必等于单位 时 间 内输 出过 程 的热量 ，即 在这一传热进程 中，把加热蒸汽量作为操作变量 比较简略确认，而扰动则可 所以冷物料 的进 口温度 、流量、成分的改动 ，这儿暂时假定为冷物料进 口温度 的改动 。 当加热蒸汽带入 的热量和冷物料温度作阶跃添加时，必将导致进程 蓄热量 的改动 ，其热 量平衡方程为 式 中， 为进程蓄热量的改动率； 为加热蒸汽热量 的增量 ； 为热物料 出 口温度 的增量； 为冷物料进 口温度的增量 。 若进程总 的热容量用 表明 ，则进程 的蓄热量 为 于 是 将上式两头除以 ，得 第 16 页 描绘有 自衡非振动进程 的特性参数有扩大系数 、时刻常数 和时滞 。下面结合一 些实例别离介绍 的含义 。 扩大 系数 以直接蒸汽加热器为例 ，冷物料从加热器底部流入 ，经蒸汽直接加热至必定温度后 ，由 加热器上部流 出送到下道工序 。这儿 ，热物料 出 口温度 即为被控变量 （或被控变量 的 丈量值 ，加 热蒸汽流量 即为操 纵变量 ，而冷物料入 口温度或冷物料流量 的改动 量 即为扰动 ，见 图 （考虑操控效果时，图中 ）即 为 ，而考虑扰动效果时， 图中 ）为 因为被控变量 遭到操控效果 （操控通道 ）和扰动效果 （扰动通道 ）的影 响 ，因而 进程 的扩大系数甚至其他特性参数也将从这两个方面来剖析介绍 。 操控通道扩大系数 第 17 页 设进程处于原有安稳状况时，被控变量为 ，操作变量为 。当操 纵变量 （本例 中的蒸汽流量 ）作起伏为 的阶跃改动时，必将导致被控变量 的改动 （如 图 所 示 ）， 且有 ） （其 中 为被控变量 的改动量 ），则进程操控通道 的扩大系数 。即为被控变量 的改动量 与操作变量 的改动量 在 时刻趋于无穷大时之 比，即 式 中 ， ）为进程完毕时被控变量的改动量。 上式表 明，进程操控通道 的扩大系数 。反 映了进程 以初始作业点为基准 的被控变量与 操 纵变 量 在 进程 完毕 时 的变 化 量 之 间 的关 系 ，是一个 稳 态 特 性 参 数 。所谓初始作业 点，即进程原有 的安稳状况 。若把进程 的出产能 力或处理量称为负荷 ，则初始作业 点将取决于进程 的负荷 以及操作 变量 的巨细 。例如对蒸汽加热器而言，在某一处理量下 ，蒸汽量不 同，到达平衡 的出 口温度 也不 同。反之 ，在蒸汽量相 同，处理量不 同的状况下 ，出 口温度也不相同 ，其 间的联络见 图 。实 际出产 中线性进程 并不多见 ，如不 同的负荷或作业 点下 ，进程 的扩大系数 。并 不 相 同 ，由 图 可见，在相 同的负荷下， 。将随作业点的 增大而削减 ，例如 三点 （对随动操控体系而言）；在相 同的 作业 点下， 。也将随负荷 的增大而减小，例如 三点 （对定 值操控操控体系而言）。 从 主动操控体系的视点看 ，有必要侧重 了解 。的数值和改动状况 操作变量 对应 的扩大系数 。的数值大 ，说 明操控效果显着 ，因而 ，假定工艺上 答应有几种操控手法可供挑选 ，应该挑选 。适 当大一些的，并 以有用的介质流量作为操作 变量 。当然 ，比较不 同的扩大系数时应该有一个相 同的基准 ，便是在相 同的作业 点下操作变 量都改动相同的百分数。 因为操控体系总 的扩大系数 是广义目标扩大系数和操控器扩大系数 的乘积，在系 统运转进程 中要求 安稳才干获得满 意 的操控进程 。一般来说 。较大时，取 小 一 些 ； 而 。较小时，取 大一些 。 扰动通道扩大系数 在操作变量 不变 的状况下 ，进程遭到起伏为 的阶跃扰动效果 ，进程从原有稳 定状况到达新 的安稳状况 时被控变量 的改动量 ）与扰动起伏 之 比称为扰动通道 的 第 18 页 扩大 系数 ，即 的大 小对 操控 进程 所产 生 的影 响 比较 容 易了解 。设 想如 果没 有控 制造 用 ，进程 在 受 到扰动 效果后 ，被控变量 的最大差错值便是 。因而在相 同的 作 用 下 ， 越 大 ， 被控变量偏 离设定值 的程度也越大 ；在 组成操控 体系后 ，状况依然 如此 ， 大 时 ， 定 值 操控体系的最大差错亦大 。 前面 从前提 到一个操控 体系存在着 多种扰动 。从静态 视点看 ，应 该侧重注 意 的是 呈现 次 数频频而 又较 大 的扰动 ，这 是剖析首要扰动 的一 大依据 。假如 较 小 ， 即便 扰 动 量 很 大 ，对 被 控 变 量 仍 然 不会 产 生 很 大 的影 响 ；反 之 ，倘 若 很 大 ，扰 动 很 小 ，效 应 也 不 强 烈 。在 工艺出产 对 系 统控 制指 标 的要求 比较 严苛 时 ，假如有可 能排 除一 些 较大 的严峻 扰 动 ，可 很大程 度上 提 高系 统 的控 制质 量 。例 如 ，对 图 所 示 的直 接 蒸汽 加 热器 而 言 ，加 热 蒸汽压 力 的波 动对 被 控 变 量 的影 响极 为严 重 ，这 时若 在 蒸汽 管道 上 设置 蒸汽 压 力 定值 控 制 体系 ，就将使这一扰动对被控变量 的影 响下 降到很不 显着 的程度 。 时刻常数 控 制 进程 是 一个运 动 过 程 ，用 放 大 系数 只能分 析稳 态 特 性 ，即分 析 变 化 的最 终 成果 。然 而 ，只要在 一起 了解动态特性参数之后 ，才 能知道 详细 的改动进程 。 时刻常数 是表 征 被控 变 质变 化 快慢 的动 态 参数 。在 电工学 中阻容 环节 的充 电进程 快 慢取 决于 电阻 、 电容 大 小 ， 的乘 积就 是 时 间常数 ，其界说为 ：在 阶跃外效果 下 ，一个 阻容环节 的输 出改动量 完结全 部变 化量 的 所 需求 的时 间 ，就 是 这 个 环 节 的 时刻常数 。或许别的界说为 ：在 阶跃外效果下 ，一个 阻容环节 的输 出改动量坚持初始变 化速度 ，达 到新 的稳态值所 需求 的时刻便是这个环节 的时刻常数 。这两种界说是共同 的。 现将 电工学 中的时 间常数概念运用 到进程操控 中。因为任 何进程 都具有贮存物料或 能量 的才干 ，所 以可 以像用 电容 来描 述 电容器 贮存 电量 的才干相同 ，用容 量 系数 来描绘储 存物料或 能量 的才干 式 中 ， 为 容 量 系 数； 为被控变量 的改动量 ； 为 引起 变 化 时在 过 程 中所 增 加 或削减 的物料 或 能量 的数量 。 进程 的容量有热容 、液容 、气容等 。 任 何 过 程 在 物 料 或 能 量 的传 递 过 程 中 ，总 是 存 在 着 一 定 的 阻力 ，如 热 阻 、液 阻 、气 阻等 。 因而可 以用进程 的容量 系数 与 阻力系数 之积来表征进程 的时 间常数 。如液位过 程 中若 以进 液量操控液位 高度 时 ，将 液位储槽截面积 与 出 口阀阻力 的乘积当作 时刻常数 显 然 ， 或 越 大 ，则 越 大 。 时 间常数对操控体系 的影 响可分两种状况进 行叙说 。 控 制通 道 时 间常数 对操控 系 统 的影 响 由时刻常数 的物 理 含义可 知 ，在相 同的操控效果 下 ，进程 的时 间常数 大 ，则被控 变量 的改动 比较弛缓 ，一般而 言 ，这种进程 比较稳 定 ，容 易操控 ，但操控进程过 于缓慢 ；过 程 的时刻常数 小 ，则状况 相反 。进程 的时 间常数 太 大 或太 小 ，在 操控 上 都将 存在 必定 的 第 19 页 困难 ，因而需依据实践状况适 当考虑 。 ）扰动通道时刻常数 对操控体系的影响 就扰动通道而言，时刻常数 大些有必定 的长处 ，相 当于将扰动信 号进 行滤波 ，这 时 阶跃扰动对体系 的效果显得 比较弛缓 ，因而这种进程 比较容 易操控 。 纯滞后 不少进程在输入改动后 ，输 出不是 随之立 即改动 ，而 是 需求 距离一段 时刻才 发生改动 ， 这种现象称为纯滞后 （时滞 ）现象 。 输 送 物 料 的皮 带 运 输 机 可 作 为 典 型 的纯 滞 后 过 程 实 例 ，如 图 所示 。当加料斗 出料量改动 时 ，需求通过纯 滞后时刻 才 进 入反 应 器 ，其 中 表明皮带长度， 表明皮带移动的线速度 。 越 长 ， 越 小 ，则纯滞 后 越 大 。 可见 ，纯滞后 。是 因为传输信 息需求 时刻引起 的 。它 或许起 因于被控变量 至丈量值 的检测通道 ，也 或许起 因于操控信号 至操作变量 的一侧 。图 中坐标原点至点 所相应 的时刻即为纯滞后 时刻 。 。 进程 的另一种滞后现 象是容量滞 后 ，它是 多容量进程 的固有特点 ，一般是 因为物料 或 能 量 的传递需求通过必定 的阻力而 引起 的 。 大都进程 都具有容量滞 后 。例 如在 列管式换热器 中 ，管外 、管 内及 管子本 身便是三个容量 ；在精馏塔 中 ，每 一块塔板便是一个 容量 。容量数 目越 多 ，容量 滞 后越 显着 。 实 际工业进程 中纯滞后 时 间往往 是纯滞 后 与容量 纯滞后对操控通道 的影响 纯滞后 对体系操控进程 的影 响，需按其与进程 的时刻常数 的相对值 来 考 虑 。 不管纯滞后存在于操作变量方面或是被控变量方面 ，都将使操控效果落后于被控变量 的变 化 。例如直接蒸汽加热器 的温度检测 点离物料 出 口有一段距离 ，因而简略使最大差错或超调 量增大 ，振动加重 ，对过渡进程是晦气 的。在 较大时 ，为 了保证体系 的安稳性 ，需求 在必定程度上 下降操控体系 的操控目标 。一般以为 的进程较 易操控 ，而 ）的进程往往需用特别操控规则 。 ）纯滞后对扰动通道的影响 对 于扰动通 道来说 ，假如存 在 纯滞 后 ，相 当于将扰 动效果 推迟 一段 纯滞 后 时 间 。后 才 进入体系 ，而扰动在什么时刻呈现 ，原本便是不能预知 的。因而并不影响操控体系 的质量 ， 即对过渡进程 曲线 的形状没有影 响。例如运送物料 的皮带运输机 ，当加料量发生改动时，并 不马上影 响被控变量 ，要 距离一段时刻后才会影 响被控变量 。假如扰动通道存在容量滞后 ， 则将使阶跃扰动 的影 响趋于平缓 ，被控变量 的改动也平缓些，因而对体系是有利 的。 一般而 言，在不 同变量 的进程 中，液位和压力进程 的 较小，流量进程 的 和 都较 小 ，温度进程 的 较 大 ，成分进程 的 。和 。都 较 大 。 第 20 页 进程特性参数可 以在机理建模后得到。可是在出产 中许多进程是很难通过机理剖析得到 数学方程式。 工程上进程特 性参数 大都通过 试验测 定来得 到 。最简洁 的办法便是直接在 原设备或机器 中施加 必定 的扰动 ，并对 该进程 的输 出变量进 行丈量和记载 ，而后进 行剖析收拾 ，获得进程 特性 的数 学表达式 。下面 是几种 常见 的办法 。 阶跃扰动法 阶跃扰动法又称反响 曲线法 。当进程 处于稳 定状况 时 ，在进程 的输入端施加一个 起伏 已 知 的阶跃 扰 动 ，测 量和 记 录 过 程输 出变 量 的数值 ，即可 画 出输 出变 量 随 时 间变 化 的反 应 曲 线 。依据 呼应 曲线 ，再通过处理 ，就能得到进程特性参数 。 以图 所 示输 送 物料 的皮 带运 输 机过 程 为例 。将加 料 斗 出料 量 当作 过 程输 入 变量 ， 反响器进料量当作进程输 出变量 。在输入变量 作 阶跃改动 时 ，过 程 输 出呼应 曲线 在 经 过纯滞后 之 后 再 有变 化 呼应 ，终究 稳 定在 如图 。则放 大 系 数 即为 ，纯滞后 即为 。过 这一 点作切线与输 出呼应 曲线终态 值 相 交 ， 该 交 点 投 影 到 时 间轴 上 的 值 减 去 就得 到 了时 间常数 阶跃 扰动 法 能形 象 、直 观 地描 述 过 程 的动 态 特 性 ，简洁 易行 。如 果输 入 量 是流 量 ，那施 加 阶 跃 扰 动 时 只 要 将 阀 门开 度 作 突 然 变 化 （通 常 是 左 右 ）即可 ，不 需求 特 殊 的隶属 设 备 ，被 控 变 量 可用 原有 的外表 进 行测 量记 录 ，测 试 的工 作 量 不大 ，数据 的处 理也很 便利 ，所 以得 到 了广 泛 的应 用 。但 是许 多过 程较 杂乱 ，扰 动 要素较 多 ，会 影 响测 试 精 度 ；一起 因为 受工 艺条件 约束 ，阶跃 扰动 起伏 不 能太大 ，因而 施行 阶跃 扰 动 法 时 ，应 在 处 于相 对 稳 定 的情 况 下输 入 阶跃 信 号 ，并且 在 相 同测 试 条件 下重 复做 几 次 ，获得 两 次 以上 比较 接 近 的 呼应 曲线 ，以进步测验精度 。 ）矩形脉冲扰动法 用 阶跃 扰 动 可 以获得 完 整 的呼应 曲线 ，但 是过 程 将 在 较 长 时 间 内处 于相 当大 的扰 动作 用 下 ，被 控 变 量 的偏 差往 往 会 超 出世 产 所 答应 的数 值 ，致使 试 验 不 能继 续 下去 。在 这种状况 下 ，就应选用矩 形脉冲扰动法 。 所 谓 矩 形 脉 冲 扰 动 法 ，就 是先在 过 程 上 加 入 一个 阶跃 扰 动 ，待 被 控 变 量 继 续 上 升 （或 下 降 ）到将 要 超 过 工 艺 允 许 变 化 范 围时 ，立 即撤 除扰 动 。这 时继 续记 录 被 控 变 量 ， 直 到其 稳 定 为 止 ，再 根 据 记 录 曲线 ，求 取 过 程 特 性 参 数 。 图 为矩 形脉冲扰动法示 意 图，其脉冲扰动 可 以 看 成 是两 个 阶跃扰 动 和 的叠加 ，故 第 21 页 效果下 的呼应 曲线 也便是阶跃扰动 和 效果下的呼应 曲线代数和 。 ）周期扰动法 周 期 扰 动 法 是 在 过 程 的输 入 端 施 加 一 系 列 频 率 不 同 的周 期 性 扰 动 ，一 般 以正 弦 波 扰 动 居 多 。 因为正弦波扰动 围绕在设定值上下动摇 ，对工艺出产 的影响较小，测验精度较高 ，并且 可直接获得进程 的频率特性 ，数据处理简略 、直观 ，这是周期扰动法杰出的长处 。可是此法 需求杂乱的正弦波信号发生器 ，测验的作业量较大 。 ）核算相关法 上面介绍 的测定进程动态特性办法在测守时需求进行专 门的试验 ，其出产设备要从正常 运转状况转为试验状况 ，可是测守时刻越长 ，对出产 的影 响就越大 ，并且为 了使出产进程不 要违背正常运转状况太远 ，以及防止超越线性规模，进程 的输入信号起伏也不能太大 。 选用核算相关法测定进程动态特性可 以在出产正常运转状况下进行 。该办法可 以直接利 用正常运转所记载 的数据进行核算剖析 ，树立数学模型，从而获取进程特性参数 。可是先需 要较长时刻的记载数据 ，通过剖析挑选 出有用 的数据 ，再进行杂乱 的核算 ，因为正常运转时 的记载数据 ，参数动摇不大 ，核算剖析 的精度不高 。为 了缩短测验 时刻，进步精度 ，一般在 施行核算相关法时对进程施加一个特别 的、伪随机二位式序列信号 ，该信号不致形成进程偏 离正常运转状况过大，而在数据剖析上却又很便利 。这种办法 以随机进程理论为根底 ，其特 点是要处理许多信息，因而须凭借核算机 的合作运算 ，才干显现 出它的优越性 。 一般在用试验办法测定进程 的动态特性时，现已将检测元件 、变送器甚至操控 阀的动态 特性包含在 内，因而获得 的是操控体系 中除操控器 以外的广义进程 的动态特性，使得对操控 体系的剖析简略化 ，行将操控体系当作是广义目标与操控器 的组合 。 考虑 题 与 习题 什么是进程特性 ？研讨进程特性对规划 主动操控体系有何协助 ？ 为什么要树立进程 的数学模型 ？首要有哪些建模办法 ？ 一个 自衡 的非振 荡进程 的特性参数有哪些 ？各有 何物 理 含义 ？ 什 么是操控通道和扰动通道 ？对不 同通道 的特 性参数 要求有什么不 同 ？ 常用 的进程 特 性试验测验 办法有哪些 ？各 自有什么特 点 ？ 已知一个具有纯滞后 的一阶进程 的时 间常数为 放 大 系数 为 ，纯滞 后 时 间为 ，试写出描绘该进程特性的 一阶微分方程式 。 已知某换热器被控变量是 出 口温度 ，操作变量是蒸 汽流量 。在蒸汽流量作阶跃改动 时 ，出 口温度 呼应 曲线如 图 所 示 。该 过 程 通 常 可

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