过程动态特性教学PPT控制

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1、第四讲第四讲 过程动态特性过程动态特性主要内容主要内容一、一、一、一、典型过程动态特性典型过程动态特性典型过程动态特性典型过程动态特性二、自衡过程二、自衡过程二、自衡过程二、自衡过程三、非自衡过程三、非自衡过程三、非自衡过程三、非自衡过程例 1蒸汽加热器温度开环控制系统蒸汽加热器温度开环控制系统例 2 液位开环控制系统液位开环控制系统（流流出出管管道道上上的的阀阀门门改改为为计计量量泵泵，计计量泵排出恒定的流量）量泵排出恒定的流量）蒸汽加热器温度开环控制系统蒸汽加热器温度开环控制系统液位开环控制系统液位开环控制系统在工业过程控制中，有些对象较容易控制而有些对象很在工业过程控制中，有些对象较容易

2、控制而有些对象很难控制，有些调节过程可以进行得很快而有些调节过程却非难控制，有些调节过程可以进行得很快而有些调节过程却非常慢。常慢。为什么会出现这些现象？为什么会出现这些现象？关键：过程的动态特性不相同关键：过程的动态特性不相同 被控过程动态特性的重要性被控过程动态特性的重要性n不同的被控过程具有不同的特性不同的被控过程具有不同的特性n很难改变被控过程很难改变被控过程n很容易改变控制器参数很容易改变控制器参数n控制工程师能做的就是调整控制器使其适合控制工程师能做的就是调整控制器使其适合被控过程被控过程n对于某一被控过程，最适合其特性的最简单对于某一被控过程，最适合其特性的最简单的控制器是最好的

3、控制器。的控制器是最好的控制器。只只有有全全面面了了解解和和掌掌握握过过程程的的动动态态特特性性，才才能能合合理理地地设设计计方方案案，选选出出合合适适的的自自动动化化仪仪表，进行控制器参数整定表，进行控制器参数整定! 根根据据输输出出相相对对于于输输入入变变化化的的响响应应情情况况可可以以将将过过程程分为两大类：分为两大类：自衡过程和非自衡过程自衡过程和非自衡过程。自自衡衡过过程程：当当输输入入发发生生变变化化时时，无无需需外外加加任任何何控控制制作作用用，过过程程能能够够自自发发地地趋趋于于新新的的平平衡衡状状态态的的性性质质称称为为自自衡衡。自衡过程包括纯滞后过程、单容过程和多容过程。自

4、衡过程包括纯滞后过程、单容过程和多容过程。非非自自衡衡过过程程：与与自自衡衡过过程程不不同同，当当输输入入发发生生变变化化时时，非非自衡过程不能够自发地趋于新的平衡状态。自衡过程不能够自发地趋于新的平衡状态。一、一、一、一、典型过程动态特性典型过程动态特性典型过程动态特性典型过程动态特性蒸汽加热器温度开环控制系统蒸汽加热器温度开环控制系统液位开环控制系统液位开环控制系统n自衡过程自衡过程/稳定对象稳定对象纯滞后过程纯滞后过程单容过程单容过程多容过程多容过程(1) 纯滞后过程纯滞后过程某某些些过过程程在在输输入入变变量量改改变变后后输输出出变变量量并并不不立立即即改改变变，而而要要经经过过一一段

5、段时时间间后后才才能能反反映映出出来来，纯纯滞滞后后就就是是指指输输入入变变量变化后看不到系统对其响应的这段时间。量变化后看不到系统对其响应的这段时间。例：重量传感器对固体流量变化的响应例：重量传感器对固体流量变化的响应从从阀阀门门动动作作到到感感知知到到重重量量发发生生变变化化，这这中中间间的的纯纯滞滞后后时时间间等等于于阀阀门门和和压压力力传传感感器器之之间间的的距距离离除除以以传传送送带带的的运运动动速度速度 纯纯滞滞后后环环节节对对任任何何输输入入信信号号的的响响应应都都是是把把它它推推迟迟一一段段时间，其大小等于纯滞后时间。纯滞后环节的传递函数为时间，其大小等于纯滞后时间。纯滞后环节

6、的传递函数为纯滞后过程的响应曲线纯滞后过程的响应曲线(2) 单容过程单容过程 系系统统原原来来处处于于平平衡衡状状态态，当当进进水水量量阶阶跃跃增增加加后后，进进水水量量超超过过出出水水量量，系系统统的的平平衡衡状状态态被被打打破破，液液位位上上升升；但但随随着着液液位位的的上上升升，出出水水阀阀前前的的静静压压增增加加，出出水水量量也也将将增增加加；这这样样，液液位位的的上上升升速速度度将将逐逐步步变变慢慢，最最终终将将建建立立新新的的平平衡衡，液液位位达达到新的稳态值。到新的稳态值。液体储罐液体储罐单容过程的响应曲线单容过程的响应曲线 单单容容过过程程传传递递函函数数是是一一阶阶惯惯性性环

7、环节节或或一一阶阶惯惯性性加加纯纯滞滞后环节，其传递函数为后环节，其传递函数为(3) 多容过程多容过程 许许多多工工业业过过程程都都是是由由两两个个或或更更多多个个容容器器组组成成的的，图图所所示示为为典典型型的的多多容容过过程程，由由液液体体储储罐罐串串联联而而成成，当当温温度度Ti发发生变化时，后面储罐的温度如何变化。生变化时，后面储罐的温度如何变化。串联液体储罐串联液体储罐串联液体储罐温度变化的阶跃响应曲线串联液体储罐温度变化的阶跃响应曲线 实际上，第一个储罐是单容过程，其传递函数为实际上，第一个储罐是单容过程，其传递函数为 T2的的响响应应明明显显比比T1慢慢，只只有有当当T1发发生生

8、变变化化影影响响到到第第二二个个储储罐罐的的温温度度时时T2才才会会开开始始变变化化。第第二二个个储储罐罐也也是是单单容过程，两个储罐串联成为双容过程，传递函数为容过程，两个储罐串联成为双容过程，传递函数为依次类推，整个传递函数为依次类推，整个传递函数为 可可以以看看到到，串串联联的的储储罐罐增增多多，输输出出响响应应启启动动越越来来越越慢慢，仿仿佛佛有有时时间间滞滞后后，即即滞滞后后时时间间随随着着串串联联灌灌数数的的增增加加而增长。而增长。 实实际际工工程程中中，为为方方便便处处理理，往往往往用用一一阶阶或或加加滞滞后后过过程来近似描述程来近似描述串联液体储罐温度变化的阶跃响应曲线串联液体

9、储罐温度变化的阶跃响应曲线n非自衡过程非自衡过程 图图所所示示的的过过程程为为非非自自衡衡过过程程，将将流流出出管管道道上上的的阀阀门门改改成成计计量量泵泵，计计量量泵泵排排出出恒恒定定的的流流量量，因因此此流流出出流流量量不不再再受受到到液液位位高高度度的的影影响响。在在稳稳定定状状态态下下储储罐罐的的流流入入量量等等于于流流出出量量，当当手手动动调调节节流流入入量量，使使得得输输入入流流量量大大于于输输出出流流量量，则则储储罐罐最最终终将将满满溢溢，实实际际上上是是个个积积分分的的过过程，传递函数为程，传递函数为非自衡液位对象非自衡液位对象非自衡液位对象响应曲线非自衡液位对象响应曲线小结一

10、、一、一、一、典型过程动态特性典型过程动态特性典型过程动态特性典型过程动态特性二、自衡过程二、自衡过程二、自衡过程二、自衡过程三、非自衡过程三、非自衡过程三、非自衡过程三、非自衡过程谢 谢！第五讲第五讲 机理建模方法机理建模方法 要要深深入入了了解解过过程程的的性性质质、特特点点以以及及动动态态特特性性就就离离不开数学模型。不开数学模型。 数数学学模模型型描描述述了了输输出出变变量量与与输输入入变变量量之之间间随随时时间间变化的动态关系。变化的动态关系。机理建模方法：机理建模方法： 根根据据过过程程对对象象的的内内在在机机理理，应应用用物物料料平平衡衡、能能量量平平衡衡和和有有关关的的化化学学

11、、物物理理规规律律建建立立过过程程模模型型的的方方法法称称为为机机理理建建模模方方法法，建建立立的的模模型型称称为为“白白箱模型箱模型”。 模模型型物物理理概概念念清清晰晰、准准确确，不不但但给给出出了了系系统统输输入入输输出出变变量量之之间间的的关关系系，也也给给出出了了系系统统状状态态和和输入输出之间的关系。输入输出之间的关系。 机机理理建建模模法法是是根根据据对对象象的的机机理理进进行行建建模模，但但仍仍然然是是对对真真实实过过程程的的一一种种数数学学提提炼炼，获获得得的的数数学学模模型型也也只只是是对对真真实实过过程程的的一一种种近近似似，因因此此不不可可能能反反映映真真实实过过程程的

12、的所所有有性性质质。建建模模需需要要在在模模型型的的精精度度和和模模型型的的复复杂杂度度之之间间进进行行折折中中，还还需需要要考考虑虑建建模模的的目目的的、期期望望的的收收益益、模模型型的的应应用用场场合合等等等等因因素。所以说素。所以说建模是一门科学，也是一种技术建模是一门科学，也是一种技术。建立机理模型的步骤：建立机理模型的步骤：根根据据建建模模的的对对象象和和模模型型的的使使用用目目的的进进行行合合理理的的假假设设，进进行行一些近似的处理，把次要因素忽略掉。一些近似的处理，把次要因素忽略掉。根根据据质质量量、能能量量以以及及各各种种物物理理化化学学平平衡衡关关系系，列列写写基基本本方方程

13、程，如如物物料料平平衡衡和和能能量量平平衡衡方方程程等等。通通常常是是常常微微分分方方程程、偏偏微微分分方方程程、以以及及相相关关的的代代数数方方程程，可可采采用用自自由由度度分分析析来来保证数学模型有解。保证数学模型有解。简化模型简化模型n消消去去中中间间变变量量，建建立立状状态态变变量量、控控制制变变量量和和输输出出变变量量的的关关系；系；n增量化：在工作点处对方程进行增量化，获得增量方程；增量化：在工作点处对方程进行增量化，获得增量方程；n线性化：在工作点处进行线性化处理，简化过程特性。线性化：在工作点处进行线性化处理，简化过程特性。常用的方程：常用的方程：物料和能量守恒关系物料和能量守

14、恒关系 系统参量系统参量S的守恒关系的守恒关系 式式中中，S可可以以是是总总质质量量、各各组组分分质质量量、总总能能量量、动动量量。质质量量、能量以及各种物理化学平衡关系。能量以及各种物理化学平衡关系。无化学反应的物料平衡关系无化学反应的物料平衡关系 式中，式中， 为密度，为密度， ； 为体积为体积， ； 为流入系统各物料的体积流量，为流入系统各物料的体积流量， ； 为流入各物料的为流入各物料的密度密度， ； 为系统流出为系统流出各物料的体积流量，各物料的体积流量， ； 为流出各物料的为流出各物料的密度，密度， 。基基本本定定理理（运运动动方方程程、状状态态方方程程、平平衡衡关关系系、化化学学

15、反反应应动动力学中的方程）力学中的方程）运动方程运动方程 流体输送过程中涉及的是物料的运动，由于生产过程中物流体输送过程中涉及的是物料的运动，由于生产过程中物料多数是以流态在管道内输送，所以要研究推动流体流动的压料多数是以流态在管道内输送，所以要研究推动流体流动的压差与管道内摩擦阻力之间的关系。按照牛顿运动定律，对于在差与管道内摩擦阻力之间的关系。按照牛顿运动定律，对于在同一个方向同时受到多个力所产生的运动表达为同一个方向同时受到多个力所产生的运动表达为式中，式中， 为沿着为沿着 方向的运动速度，方向的运动速度， ； 为沿着为沿着 方向方向的第的第 项力，项力， ； 是质量，是质量， 。上式表

16、示沿着上式表示沿着 方向方向动量的变化率等于沿着动量的变化率等于沿着 方向的所有力之和，也就是动方向的所有力之和，也就是动量守恒关系。量守恒关系。液体储罐建模问题 假设液体储罐上下均匀，截面积为假设液体储罐上下均匀，截面积为A。进水的体积流量和。进水的体积流量和出水的体积流量分别是出水的体积流量分别是Qi和和Qo，输出为液位，输出为液位h，试建立该液体，试建立该液体储罐对象的动态模型。储罐对象的动态模型。n又根据流体运动方程，又根据流体运动方程， 出口流量出口流量与液位的关系与液位的关系(k(k是与管道阻力有关是与管道阻力有关的系数的系数) )：n 假设忽略储罐内出水的蒸发量，假设忽略储罐内出

17、水的蒸发量，则储罐内蓄水量的变化和进水量、则储罐内蓄水量的变化和进水量、出水量之间满足物料平衡方程：出水量之间满足物料平衡方程：n储罐液位的动态数学模型：储罐液位的动态数学模型：n 储罐液位的动态数学模型：储罐液位的动态数学模型：动动态态数数学学模模型型是是非非线线性性微微分分方方程程，如如果果假假设设液液位位始始终终在在稳稳定定值值附附近近很很小小的的范围内变化，则可以进行线性化：范围内变化，则可以进行线性化：（1 1）假设在稳态工况下进水和出水的流量分别是）假设在稳态工况下进水和出水的流量分别是Qi0Qi0和和Qo0Qo0，则，则以增量的形式表示各变量偏离稳定值的程度以增量的形式表示各变量

18、偏离稳定值的程度结合结合 和和 ，可以得到，可以得到（2 2）液液位位和和流流出出量量之之间间是是非非线线性性特特性性，在在工工作作点点附附近近进进行行线线性性化处理，对化处理，对 进行泰勒级数展开，并忽略高阶项进行泰勒级数展开，并忽略高阶项上式左右相移可得上式左右相移可得将上式带入将上式带入 得到得到其中其中 。省略增量项，进一步得到省略增量项，进一步得到 观察上式，进行拉氏变换得到观察上式，进行拉氏变换得到机理模型的优点：机理模型的优点：（1）可可以以充充分分利利用用已已知知的的过过程程知知识识，从从事事物物的的本本质质上上去去认认识识外部特性；外部特性；（2）可以在流程和设备的设计阶段即

19、能求取；）可以在流程和设备的设计阶段即能求取；（3）有较大的适用范围，操作条件变化是可以类推。）有较大的适用范围，操作条件变化是可以类推。有两个弱点：有两个弱点：（1）对对于于复复杂杂的的过过程程，人人们们对对基基本本方方程程的的某某些些参参数数不不完完全全掌掌握握，例例如如，换换热热器器的的K值值，由由传传热热学学书书籍籍提提供供的的公公式式可可能能有有1030的的误误差差。又又如如，象象精精馏馏塔塔的的塔塔板板效效率率、塔塔板流体中的汽液比值等参数，很难预先精确估计；板流体中的汽液比值等参数，很难预先精确估计；（2）如如不不经经过过输输入入输输出出数数据据的的验验证证，则则近近乎乎纸纸上上

20、谈谈兵兵，难难以以判断其正确性。判断其正确性。小结小结 机理建模法机理建模法机理建模法机理建模法谢谢 谢！谢！第六讲第六讲 测量变送环节测量变送环节主要内容主要内容一、测量变送环节一、测量变送环节一、测量变送环节一、测量变送环节的作用的作用的作用的作用二、测量误差的来源二、测量误差的来源二、测量误差的来源二、测量误差的来源三、测量信号的处理三、测量信号的处理三、测量信号的处理三、测量信号的处理 测测量量变变送送环环节节的的任任务务是是对对被被控控变变量量和和其其他他有有关关参参数数进进行行快快速速和和准准确确的的测测量量，将将工工业业生生产产过过程程的的参参数数（流流量量、压压力力、温温度度、

21、物物位位、成成分分等等）经经检检测测、变变送送单单元元转转换换为为标准信号标准信号。 在在模模拟拟仪仪表表中中，标标准准信信号号通通常常采采用用420mA、15V、010mA电电流流或或电电压压信信号号，20100kPa气气压压信信号号；在在现现场场总线仪表中，标准信号是数字信号。总线仪表中，标准信号是数字信号。 一、测量一、测量变送变送环节环节的作用的作用 二、测量误差的来源二、测量误差的来源（1）仪表本身的误差）仪表本身的误差 仪仪表表精精度度等等级级表表明明了了在在稳稳态态下下仪仪表表的的最最大大百百分分误误差差。因因为为它它是是按按全全量量程程的的最最大大百百分分误误差差来来定定义义的

22、的，所所以以量量程程越越宽宽，绝绝对对误误差差越越大大。因因而而在在选选择择仪仪表表量量程程时时应应尽尽量量选选窄一些。窄一些。（2）安装不当引入误差）安装不当引入误差 测测量量变变送送的的一一次次元元件件安安装装在在工工艺艺设设备备上上。安安装装必必须须符符合合规规范范，否否则则会会引引入入很很大大误误差差。如如流流量量测测量量中中，板板孔孔反反向向安安装装，直直管管段段不不足足，差差压压计计液液体体引引压压管管线线存存在在气气泡泡等都会造成很大的测量误差，甚至是测量错误。等都会造成很大的测量误差，甚至是测量错误。（3）测量的动态误差）测量的动态误差 对对测测量量变变送送环环节节作作线线性性

23、化化处处理理后后，一一般般可可以以表表示示成成为一阶加纯滞后特性为一阶加纯滞后特性: 其其中中，Km表表示示静静态态增增益益，Tm表表示示时时间间常常数数，m表表示时滞。示时滞。 测量变送环节的滞后，包括测量变送环节的滞后，包括时间常数时间常数Tm和时滞和时滞m都会引起测量动态误差。都会引起测量动态误差。 从从控控制制的的角角度度来来讲讲希希望望测测量量变变送送环环节节能能够够快快速速地地反反映映被被测测量量值值，因因此此减减小小时时间间常常数数Tm和和时时滞滞m对对控控制制系系统统品质会带来好处。品质会带来好处。 时间常数时间常数Tmn相相对对于于过过程程的的时时间间常常数数，大大多多数数测

24、测量量变变送送环环节节的的时时间间常常数数是是较较小小的的。但但成成分分检检测测变变送送环环节节的的时时间间常常数数和时滞会很大；和时滞会很大； n减减小小时时间间常常数数的的措措施施包包括括检检测测点点位位置置的的合合理理选选择择；选选用用小小惯惯性性检检测测元元件件；缩缩短短气气动动管管线线长长度度，减减小小管管径。径。 时滞时滞mn测测量量变变送送环环节节中中时时滞滞产产生生的的原原因因是是检检测测点点与与测测量量变变送送仪仪表表之之间间有有一一定定的的传传输输距距离离l，而而传传输输速速度度w也也有有制制约约，因因此，产生时滞：此，产生时滞：m= l / wn减减小小时时滞滞的的措措施

25、施包包括括选选择择合合适适的的检检测测点点位位置置，减减小小传传输输距离距离l；选用增压泵、抽气泵等装置，提高传输速度；选用增压泵、抽气泵等装置，提高传输速度w。三、测量信号的处理三、测量信号的处理 （1）呈周期性的脉动信号需进行低通滤波）呈周期性的脉动信号需进行低通滤波在在流流体体的的输输送送过过程程中中，由由于于输输送送机机械械的的往往复复运运动动，流流体体的的压压力力和和流流量量会会呈呈周周期期性性的的脉脉动动变变化化。它它的的频频率率与与输输送送机机械械的的往往复复频频率率相相一一致致，常常见见的的如如活活塞塞式式压压缩缩机机的的出出口口压压力力和和往往复泵输送液体时的流量。复泵输送液

26、体时的流量。这这种种周周期期性性的的波波动动，给给控控制制系系统统运运行行带带来来了了不不少少麻麻烦烦。因因为为对对于于呈呈周周期期性性变变化化的的脉脉动动信信号号，当当其其平平均均值值不不变变时时，控控制制系系统统根根本本不不需需要要工工作作。但但是是控控制制器器是是按按信信号号的的偏偏差差工工作作的的，脉脉动动信信号号产产生生脉脉动动的的偏偏差差信信号号，它它使使控控制制器器的的输输出出信信号号也也呈呈周周期期性性的的变变化化，从从而而使使控控制制阀阀不不停停地地开开关关。显显然然这这种种控控制制过过程是徒劳无益的，加剧了被控变量的波动。程是徒劳无益的，加剧了被控变量的波动。 在实际生产中

27、，可将在实际生产中，可将RC滤波电路串联在变送器之后起滤波电路串联在变送器之后起到阻尼作用。这相当于低通滤波器。到阻尼作用。这相当于低通滤波器。以以RC阻尼器构成的一阶惯性环节阻尼器构成的一阶惯性环节 为例，为例，它的幅频特性如图它的幅频特性如图在低频段时动态增益近似为在低频段时动态增益近似为1，而随着频率的增高动态，而随着频率的增高动态增益减小，因而起到了低频容易通过，而高频不易通过。增益减小，因而起到了低频容易通过，而高频不易通过。（2）测量噪声需进行滤波）测量噪声需进行滤波由由于于存存在在环环境境噪噪声声，例例如如，泵泵出出口口压压力力的的脉脉动动，储储罐罐液液位位的的波波动动等等，它它

28、们们使使检检测测变变送送信信号号波波动动并并影影响响控控制制系统的稳定运行，因此，需要对信号进行滤波。系统的稳定运行，因此，需要对信号进行滤波。信信号号滤滤波波有有硬硬件件滤滤波波和和软软件件滤滤波波，本本节节主主要要介介绍绍软软件滤波。件滤波。软件滤波软件滤波 软软件件滤滤波波采采用用计计算算方方法法，用用程程序序编编制制各各种种数数字字滤滤波波器器实实现现信信号号滤滤波波，具具有有投投资资少少，应应用用灵灵活活等等特特点点，受受到到用用户户欢欢迎迎。在智能仪表、在智能仪表、DCS等装置中通常采用软件滤波。等装置中通常采用软件滤波。 过程控制中常用的数字滤波方法有下列几种：过程控制中常用的数

29、字滤波方法有下列几种： n一阶低通滤波一阶低通滤波n一阶高通滤波一阶高通滤波n递推平均滤波递推平均滤波递推平均滤波递推平均滤波 以以第第k次次采采样样时时刻刻为为基基准准，依依次次将将该该时时刻刻以以前前时时刻刻共共m个个采采样样值值的的平平均均值值作作为为滤滤波波器器的的输输出出，并并进进行行递递推。计算公式为：推。计算公式为： 写成递推公式为：写成递推公式为： 在在此此基基础础上上，还还可可对对老老信信息息和和新新信信息息进进行行加加权权，得到递推加权平均滤波器的计算公式：得到递推加权平均滤波器的计算公式：（3）线性化处理）线性化处理有有的的检检测测变变送送器器，输输入入输输出出关关系系呈

30、呈非非线线性性，有有时时从从控控制制角度希望这个环节为线性，因而需作线性化处理。角度希望这个环节为线性，因而需作线性化处理。如如节节流流装装置置输输出出差差压压与与流流量量的的平平方方成成正正比比。可可以以采采用用硬硬件件组组成成非非线线性性环环节节实实现现，例例如如，采采用用开开方方器器对对差差压压进进行行开开方方运算，也可用软件实现线性化处理。运算，也可用软件实现线性化处理。 小结小结一、测量变送环节一、测量变送环节一、测量变送环节一、测量变送环节的作用的作用的作用的作用二、测量误差的来源二、测量误差的来源二、测量误差的来源二、测量误差的来源三、测量信号的处理三、测量信号的处理三、测量信号

31、的处理三、测量信号的处理谢 谢！第七讲第七讲 控制阀控制阀主要内容主要内容一、控制阀概述一、控制阀概述二、控制阀的选择二、控制阀的选择控制阀接受控制器来的控制信号，通过改变阀的开度来控制阀接受控制器来的控制信号，通过改变阀的开度来达到控制流量的目的。因为处于最终执行控制任务的地位，达到控制流量的目的。因为处于最终执行控制任务的地位，所以又称所以又称“末级控制元件末级控制元件”。控制阀直接与介质接触，当在高压、高温、生冷、强腐控制阀直接与介质接触，当在高压、高温、生冷、强腐蚀、高粘度、易结晶等各种恶劣条件下工作时，控制阀选择蚀、高粘度、易结晶等各种恶劣条件下工作时，控制阀选择的重要性就显得很重要

32、。控制阀是一个控制系统中不可缺少的重要性就显得很重要。控制阀是一个控制系统中不可缺少的组成部分，控制系统中每个环节的好坏，都对系统质量有的组成部分，控制系统中每个环节的好坏，都对系统质量有直接影响，但使控制系统不能正常运行的原因，多数发生在直接影响，但使控制系统不能正常运行的原因，多数发生在控制阀上。所以，对控制阀必须高度重视。控制阀上。所以，对控制阀必须高度重视。在实际应用中，选择好阀的类型在实际应用中，选择好阀的类型包括执行机构和阀包括执行机构和阀体结构类型。从保证控制质量的角度，要考虑：体结构类型。从保证控制质量的角度，要考虑：阀的类型、阀的类型、阀口径、气开气关特性、流量特性。阀口径、

33、气开气关特性、流量特性。一、控制阀概述一、控制阀概述二、控制阀的选择二、控制阀的选择1. 控制阀结构类型及材质的选择控制阀结构类型及材质的选择 气气动动薄薄膜膜控控制制阀阀有有直直通通单单座座、直直通通双双座座、角角形形、隔隔膜膜、蝶蝶阀阀和和三三通通阀阀等等不不同同结结构构形形式式，要要根根据据操操纵纵介介质质的的工工艺艺条条件件（温温度度、压压力力、流流量量等等）及及其其特特性性（粘粘度度、腐腐蚀蚀性性、毒毒性性、介介质质状状态态形形式式等）和控制系统的不同要求来选用等）和控制系统的不同要求来选用。 n直直通通单单座座阀阀只只有有一一个个阀阀芯芯，阀阀前前后后压压差差小小，适适用于要求泄漏

34、量小的场合用于要求泄漏量小的场合n直直通通双双座座阀阀有有两两个个阀阀芯芯，阀阀前前后后压压差差大大，适适用用于允许有较大泄漏量的场合于允许有较大泄漏量的场合n角角阀阀阀阀体体呈呈直直角角，适适用用于于高高压压差差、高高粘粘度度、含含悬浮物和颗粒状物质的场合悬浮物和颗粒状物质的场合n隔膜阀隔膜阀适用于有腐蚀性介质的场合适用于有腐蚀性介质的场合n蝶蝶阀阀适适用用于于有有悬悬浮浮物物的的介介质质、大大流流量量、压压差差小小、允许大泄漏量的场合允许大泄漏量的场合n高压阀高压阀适用于高压控制的特殊场合适用于高压控制的特殊场合n三通阀三通阀适用于分流或合流控制的场合适用于分流或合流控制的场合n此此外外，

35、应应根根据据操操纵纵介介质质的的工工艺艺条条件件和和特特性性选选择择合合适适的的材材质质，还还应应根根据据现现场场设设备备承承受受压压力力，温温度特别是高温、低温等考虑阀度特别是高温、低温等考虑阀耐压，温度耐压，温度条件。条件。2. 控制阀口径大小的选择控制阀口径大小的选择 确确定定控控制制阀阀口口径径大大小小也也是是选选用用控控制制阀阀的的一一个个重重要要内内容容，其其主主要要依依据据阀阀的的流流通通能能力力。正正常常工工况况下下要要求求控控制制阀阀开开度度处处于于1585%之之间间。因因此此，不不宜宜将将控控制制阀阀口口径径选选的的太太小小或或过过大大，否否则则，会会使使控控制制阀阀可可能

36、能运运行行在在全全开开时时的的非非线线性性饱饱和和工工作作状状态态，系系统统失失控控；或或使使阀阀门门经经常常处处于于小小开开度度的的工工作作状状态态，造造成成流流体体对对阀阀芯芯、阀阀座座严严重重冲冲蚀蚀，甚甚至至引引起起控控制制阀失灵。阀失灵。3 控制阀气开气关形式的选择控制阀气开气关形式的选择气动控制阀有气开气关两种类型。前者随输入气压的增气动控制阀有气开气关两种类型。前者随输入气压的增高开度增加；后则则相反。高开度增加；后则则相反。 n气开阀：气开阀： ( (“有气则开有气则开”, , “无气则关无气则关”) )n气关阀：气关阀： ( (“有气则关有气则关”, , “无气则开无气则开”

37、) )n无气源时无气源时，气开阀全关，气关阀全开。气开阀全关，气关阀全开。 在气开与气关的选择上，主要考虑失气时使在气开与气关的选择上，主要考虑失气时使生产处于安全状态。例如，锅炉的进水阀一般选生产处于安全状态。例如，锅炉的进水阀一般选用气关式的，一旦气源中断，不至于使锅炉内的用气关式的，一旦气源中断，不至于使锅炉内的水蒸干；燃料管线上的阀门大多用气开式的，一水蒸干；燃料管线上的阀门大多用气开式的，一旦气源中断，切断燃料，避免发生因燃料过多而旦气源中断，切断燃料，避免发生因燃料过多而产生事故。产生事故。它的确定应根据工艺过程的安全要求，即当它的确定应根据工艺过程的安全要求，即当控制阀故障时，控

38、制阀应处于什么状态。控制阀故障时，控制阀应处于什么状态。 4 控制阀流量特性的选择控制阀流量特性的选择从从实实用用角角度度，流流量量特特性性选选择择一一般般不不如如阀阀的的结结构构类类型型和和口口径径选选择择重重要要。但但流流量量特特性性选选择择涉涉及及控控制制工工程程较较多多方方面面的的概概念念，其其本本质质是是控控制制系系统统的的非非线线性性补偿问题。补偿问题。控控制制阀阀的的流流量量特特性性是是指指通通过过控控制制阀阀的的流流量量与与阀阀门门开开度度之之间间的的关关系系。通通过过控控制制阀阀的的流流量量不不仅仅与与开开度度有有关关，还还受受到到阀阀两两边边压压差差的的影影响响。控控制制阀

39、阀制制造造厂厂提提供供的的流流量量特特性性曲曲线线，总总是是在在阀阀门门处处于于固固定定压压降降下下得得到到，称称为为固固有有特特性性，主主要要有有：直直线线、等等百百分分比比、快开、抛物线。快开、抛物线。5.选择控制阀特性时的注意事项选择控制阀特性时的注意事项小结一、控制阀概述一、控制阀概述二、控制阀的选择二、控制阀的选择谢 谢！第八讲第八讲 过程动态模型的建立过程动态模型的建立主要内容主要内容一、一、过程动态过程动态模型的要求模型的要求二、二、过程过程模型建立的方法模型建立的方法控制系统控制系统“广义对象广义对象”的概念的概念控控制制系系统统的的目目的的是是为为了了克克服服干干扰扰，使使被

40、被控控变变量量保保持持在在设设定定值值或或者者跟跟踪踪设设定定曲曲线线。但但是是控控制制器器无无法法直直接接了了解解被被控控变变量量的的情情况况，必必须须通通过过测测量量变变送送环环节节来来感感知知被被控控变变量量，因因此此控控制制系系统统实实际际上上是是在在使使被被控控变变量量的的测测量量值值保保持持设设定定值值。同同时时，控控制制器器无无法法直直接接影影响响被被控控对对象象，必必须须通通过过执执行行机机构构，如如控控制制阀阀来来进进行行操操纵纵，执执行行机机构构的的性性能能会会影影响响到到控控制制效效果果的的好好坏坏。因因此此，在在设设计计控控制制方方案案时时，除除了了要要了了解解被被控控

41、对对象象的的性性能能，还还要要考虑测量变送和执行机构的性能。考虑测量变送和执行机构的性能。为为了了简简化化控控制制系系统统的的分分析析和和设设计计，常常把把执执行行机机构构、被被控控对象和测量变送环节合并起来考虑，看成一个广义对象对象和测量变送环节合并起来考虑，看成一个广义对象。 蒸汽加热器的温度控制系统蒸汽加热器的温度控制系统 “广义对象广义对象”的概念的概念“广义对象广义对象” 从从控控制制器器输输出出到到控控制制器器输输入入之之间间的的环环节节。整整个个控控制制系系统统被被划划分分为为控控制制器器和和广广义义对对象象两两大大块块。 由由于于广广义义对对象象的的输输入入和和输输出出都都是是

42、可可知知的的，因因此此可可以以建建立立广广义义对对象象的的数学模型。数学模型。 动动态态数数学学模模型型描描述述了了输输出出变变量量与与输输入入变变量量之之间间随随时时间间变变化化的的动动态态关关系系，它它对对过过程程动动态态的的分分析析和和控控制制起起来来举举足足轻轻重重的的作作用用。因此，对过程模型的要求是正确、可靠和简单。因此，对过程模型的要求是正确、可靠和简单。n过程动态模型可分为三类：黑箱模型、白箱模型、灰箱模型。过程动态模型可分为三类：黑箱模型、白箱模型、灰箱模型。n过过程程模模型型建建立立的的方方法法有有：机机理理建建模模方方法法、系系统统辨辨识识方方法法-经经验建模方法、混合方

43、法。验建模方法、混合方法。一、一、一、一、过程动态过程动态过程动态过程动态模型的要求模型的要求模型的要求模型的要求二、二、过程过程模型建立的方法模型建立的方法1 1 1 1、经验建模法、经验建模法、经验建模法、经验建模法2 2 2 2、混合法、混合法、混合法、混合法n根根据据过过程程输输入入输输出出数数据据确确定定过过程程模模型型的的结结构构和和参参数数的的建建模模方法，建立的模型称为黑箱模型。方法，建立的模型称为黑箱模型。n经经验验建建模模通通常常包包括括三三个个基基本本要要素素：输输入入输输出出数数据据、指指定定的的模型结构、选择模型的性能指标。模型结构、选择模型的性能指标。n过过程程辨辨

44、识识的的方方法法很很多多，依依据据输输入入变变量量的的变变化化情情况况（即即所所施施加加外外作作用用的的形形式式），目目前前大大致致可可分分为为非非周周期期函函数数，周周期期函函数，非周期性随机函数及周期性函数等四类。数，非周期性随机函数及周期性函数等四类。 需需要要验验前前知知识识少少，但但建建立立的的模模型型不不具具有有放放大大功功能能，即即不不能类推到不同型号的放大设备或过程中。能类推到不同型号的放大设备或过程中。1 1、经验建模法、经验建模法一般的经验建模过程包括：一般的经验建模过程包括：1、设计试验来获得用于建模的输入输出数据；、设计试验来获得用于建模的输入输出数据；2、对对输输入入

45、输输出出数数据据进进行行预预处处理理，如如选选择择有有用用的的数数据据段段，提提出坏点以及遗漏的数据点，进行数据滤波；出坏点以及遗漏的数据点，进行数据滤波；3、指定模型的结构，如线性模型或者非线性模型；、指定模型的结构，如线性模型或者非线性模型；4、确定选择模型的性能指标，如均方差；、确定选择模型的性能指标，如均方差；5、根根据据输输入入输输出出数数据据和和性性能能指指标标从从指指定定的的模模型型集集中中选选择择一一个最佳的模型；个最佳的模型；6、对对获获得得的的模模型型进进行行测测试试，如如果果满满意意则则结结束束；如如果果不不满满意意则则返返回回到到步步骤骤3，重重新新对对模模型型进进行行

46、评评价价，如如响响应应速速度度，曲曲线形状、模型稳定性等等。线形状、模型稳定性等等。(1) (1) 阶跃响应法阶跃响应法 阶阶跃跃响响应应法法非非常常简简单单，先先使使工工况况保保持持平平稳稳一一段段时时间间，然然后后使使阀阀门门作作阶阶跃跃式式的的变变化化（通通常常在在10以以内内），在在此此同同时时把把被被控控变量的变化过程记录下来，得到广义对象的阶跃响应曲线。变量的变化过程记录下来，得到广义对象的阶跃响应曲线。用测试法建立被控对象的数学模型，首先要选定模型的用测试法建立被控对象的数学模型，首先要选定模型的结构，典型工业过程的传递函数可为各种形式：结构，典型工业过程的传递函数可为各种形式：

47、（1）一阶惯性加纯滞后模型）一阶惯性加纯滞后模型（2）二阶或）二阶或n阶惯性加纯滞后模型阶惯性加纯滞后模型（3）用有理分式表示的传递函数）用有理分式表示的传递函数对于非自衡过程，传递函数中应含有积分环节：对于非自衡过程，传递函数中应含有积分环节： 确确定定了了传传递递函函数数的的形形式式后后，下下一一步步的的问问题题就就是是如如何何确确定定其其中中的的参参数数，使使它它能能够够拟拟合合测测试试得得到到的的阶阶跃跃响响应应。一一般般来来讲讲，参参数数越越多多，就就可可以以拟拟合合得得越越完完美美，但但计计算算工工作作量量也也越越大大。因因此此，没必要过分追求拟合的完美程度。没必要过分追求拟合的完

48、美程度。 通常，把对象作为具有时滞的一阶对象来处理：通常，把对象作为具有时滞的一阶对象来处理： 式中式中 K对象放大系数对象放大系数 T对象时间常数对象时间常数 对象时滞对象时滞各参数求法如下：各参数求法如下：式中，式中， 为广义对象输出（被控变量测量值）的新稳态值；为广义对象输出（被控变量测量值）的新稳态值；y0为广义对象输出的初始稳态值；为广义对象输出的初始稳态值； 为广义对象输入（即控为广义对象输入（即控制器输出）的阶跃变化幅度。制器输出）的阶跃变化幅度。时间常数时间常数T和滞后时间和滞后时间 可以用作图法确定。为此，在曲线可以用作图法确定。为此，在曲线的拐点的拐点p处作切线，它与时间轴

49、交于处作切线，它与时间轴交于A点，与曲线的稳态渐近点，与曲线的稳态渐近线交于线交于B点，有点，有 在实际的工程应用中，常采用以下改进方法来确定参数在实际的工程应用中，常采用以下改进方法来确定参数常取常取可以得到可以得到 换热器温度控制系统的换热器温度控制系统的开环阶跃响应开环阶跃响应基于阶跃响应的特性参数计算基于阶跃响应的特性参数计算 基于阶跃响应的特性参数计算基于阶跃响应的特性参数计算 (2) (2) 脉冲响应法脉冲响应法 在在施施加加阶阶跃跃响响应应后后，隔隔一一段段时时间间再再施施加加一一个个反反向向的的阶阶跃跃输输入入，合合起起来来就就是是用用脉脉冲冲作作为为输输入入信信号号，如如图所

50、示。图所示。 由由于于输输入入是是正正向向和和反反向向阶阶跃跃作作用用之之和和，因因而而把把输输出出变变化化过过程程折折算算为阶跃响应并不困难。为阶跃响应并不困难。 输入是输入是 u(t)= u1(t)+ u2(t) = u1(t)- u1(t-t)输出是输出是 y(t)=h1(t)+ h2(t) = h1(t)- h1(t-t) h1(t)= y(t)+ h1(t-t) 上上式式表表示示了了响响应应曲曲线线关关系系式式，在在0t时时间间内内，h1(t)等等于于脉脉冲冲响响应应即即h1(t)=y(t)，而而后后h1(t)等等于于当当时时的的脉脉冲冲响响应应y(t)加加t时时间间以以前前的的阶阶跃跃响响应应h1(t-t)，随随着着时时间间推推移移就就可可得得到到完完整整阶阶跃跃响响应应曲曲线线。得得阶阶跃跃响响应应曲曲线线后后，可可以以通通过过前前述述有有关关方方法法求求取取过过程程的数学模型。的数学模型。3、混合方法、混合方法 把把两两种种途途径径结结合合，可可兼兼采采两两者者之之长长，补补各各自自之之短短。介介于于机机理理建建模模方方法法、经经验验建建模模方方法法之之间间的的建建模模方法，称为混合方法。所得模型称为灰箱模型。方法，称为混合方法。所得模型称为灰箱模型。小结小结一、一、过程动态过程动态模型的要求模型的要求二、二、过程过程模型建立的方法模型建立的方法谢 谢！