过程动态特性建模与分析课件.pptx

1、过程动态特性建模与分析过程动态特性建模与分析xxxx浙江大学控制系1谢谢观赏2019-5-24考核说明基本原则：平时成绩 60%+期末考试40%。平时成绩包括以下部分：n课堂提问与课堂测试， 25%用以检验学生预习、复习情况，n学生讲课与研讨课表现， 15%以小组为单位，针对某些控制问题提出控制方案，由教师随机选择某组员进行讲解；其他同学参与讨论，并评分。n平时作业与仿真报告，20% 2谢谢观赏2019-5-24概要n过程特性分类n简单被控过程的机理建模方法n调节阀的选择原则n广义对象的概念n测试法建模3谢谢观赏2019-5-24一般的反馈控制系统4谢谢观赏2019-5-24 被控过程动态特性

2、的重要性n不同的被控过程具有不同的特性n很难改变被控过程，很容易改变控制器n控制工程师能做的就是调整控制器使其适合被控过程n对于某一被控过程，最适合其特性的控对于某一被控过程，最适合其特性的控制器是最好的控制器。制器是最好的控制器。5谢谢观赏2019-5-24被控过程的分类n自衡过程/稳定对象(1) 纯滞后过程(2)单容过程(3) 多容过程n非自衡过程例如：某些液位对象与某些放热反应器6谢谢观赏2019-5-24被控过程举例#17谢谢观赏2019-5-24被控过程举例#28谢谢观赏2019-5-24被控过程举例#30( ( )( )oQK f u thh t该被控过程是否稳定，为什么 ?9谢谢

3、观赏2019-5-24被控过程举例#410谢谢观赏2019-5-24被控对象动态建模方法n机理建模原理原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。特点特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。n测试建模原理原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。特点特点：无需深入了解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。11谢谢观赏2019-5-24机理建模的步骤n根据

4、建模的对象和模型使用的目的进行合理的假设 ；n根据过程的内在机理建立数学方程；n进行自由度分析，保证模型有解；n简化模型。12谢谢观赏2019-5-24HQiQoAoiQQdtdHAHkQoHkQdtdHAin 物料平衡方程：问题讨论：如何采用SimuLink建立被控过程的仿真模型并设置初始运行状态? n 出口流量与液位的关系：建模举例 #113谢谢观赏2019-5-24建模举例 #1HQiQoAHkQdtdHAi14谢谢观赏2019-5-24建模举例 #1HQiQoAoiQQdtdHAHkQon 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程流体运动方程：iod hAQQdt 000000,io

5、iiioooQQhhhQQQQQQ 15谢谢观赏2019-5-24建模举例 #1线性化：000002oooh hodQkQk hQhhQhdhh02iid hkhAQhQdtRh ( )( )1iH sRQ sRAsiood hAQQdtQkH 16谢谢观赏2019-5-24一阶过程的描述n一阶过程通常的描述方式为：( )1KG sTs( )( )1iH sRQ sRAs过程增益K时间常数T17谢谢观赏2019-5-24一阶过程的仿真( )( )1iH sRQ sRAs无振荡的自衡过程()()finalinitialfinalinitialOutput centKInput centOOcen

6、tIIcentK反映了输出变化的幅度18谢谢观赏2019-5-24一阶过程的仿真（续）( )( )1iH sRQ sRAs时间常数T反映了输出变化的快慢19谢谢观赏2019-5-24建模举例 #2121121,iodHdHAQQAQQdtdt11122,oQkHQkHn 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程流体运动方程：2211221111,HkHkdtdHAHkQdtdHAi20谢谢观赏2019-5-24建模举例 #2121121,iodHdHAQQAQQdtdt11122,oQkHQkH1111221122( ),( )1( )1( )11iiH sRQ sAR sHsRQ sAR

7、sA R sn 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程流体运动方程：21谢谢观赏2019-5-24二阶过程仿真无振荡的自衡过程22谢谢观赏2019-5-24串联系统23谢谢观赏2019-5-24一阶对象的串联系统24谢谢观赏2019-5-24课堂练习2一阶和滞后过程2,2T25谢谢观赏2019-5-24课堂练习32T 2T 2,2T2T 212126谢谢观赏2019-5-24课堂练习3仿真结果27谢谢观赏2019-5-24工业过程控制对象的特点工业过程控制对象的特点n除液位对象外的大多数被控对象本身是稳定自衡对象；n对象动态特性存在不同程度的纯迟延；n对象的阶跃响应通常为单调曲线，除流量对

8、象外的被调量的变化相对缓慢；n被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。28谢谢观赏2019-5-24换热器温度控制系统 过程描述与信号流程图 ?29谢谢观赏2019-5-24温度控制系统的信号流程图30谢谢观赏2019-5-24气动调节阀的结构气动调节阀的结构u(t)：控制器输出 ( 420 mA 或 010 mA DC)；pc ：调节阀气动控制信号（ 20100kPa ）；l：阀杆相对位置； f ：相对流通面积；q ：受调节阀影响的管路相对流量。执行机构阀体.pc31谢谢观赏2019-5-24阀门的阀门的“气开气开”与与“气关气关”1. 气开阀与气关阀气开阀与气关阀 * 气开阀： pc

9、 f (“有气则开”) * 气关阀： pc f (“有气则关”) 无气源( pc = 0 )时，气开阀全关，气关阀全开。2. 气开气开/气关的选择原则气关的选择原则安全性安全性 * 若无气源时，希望阀全关，则应选择气开阀，如加热炉瓦斯气调节阀；若无气源时，希望阀全开，则应选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。32谢谢观赏2019-5-24调节阀的气开气关选择出料进料冷却剂TCTC进料出料燃料TTmTspRfu33谢谢观赏2019-5-24调节阀的理想流量特性调节阀的理想流量特性100806040200204060801003.3f 100l 1001243调节阀理想流量特性调节阀理想流量特性：通过控制

10、阀的流量和阀门开度之间的函数关系。( )flf 为相对流量；l 为相对开度：n 线性阀线性阀（1）：fKdldfn 等百分比阀或称对数阀等百分比阀或称对数阀（2）：fKdldff34谢谢观赏2019-5-24阀阻比阀阻比 S100：调节阀全开时的两端压降与系统总压降之比，即10010010010011pppppSeepSepppSpep0Qp调节阀工作流量特性调节阀工作流量特性35谢谢观赏2019-5-24调节阀工作流量特性（续）调节阀工作流量特性（续）100806040200204060801003.3q 100l 100S100= 10.750.500.201008060402002040

11、60801003.3q 100l 100S100= 10.800.500.20线性阀的特性变异对数阀的特性变异LlQQKv/max36谢谢观赏2019-5-24调节阀流量特性总结调节阀流量特性总结n 线性阀：线性阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv与阀门开度无关；而随着管路系统阀阻比的减少，当开度到达50 70%时，流量已接近其全开时的数值，即Kv随着开度的增大而显著下降。n 对数阀：对数阀：在理想情况下，调节阀的放大增益Kv随着阀门开度的增大而增加；而随着管路系统阀阻比的减少， Kv 渐近于常数。37谢谢观赏2019-5-24调节阀流量特性的选择调节阀流量特性的选择n 选择原则：选择原则：

12、仅当对象特性近似线性而且阀阻比大于 0. 60 以上（即调节阀两端的压差基本不变），才选择线性阀，如液位控制系统；其他情况大都应选择对数阀。38谢谢观赏2019-5-24“广义对象”的概念控制器GC (s)执行器GV (s)控制通道GP (s)测量变送Gm (s)ysp(t)+_u(t)q(t)扰动D(t)干扰通道GD (s)+广义对象y(t)ym (t)特点：（1）使控制系统的设计与分析简化； （2）广义对象的输入输出通常可测量，以便于 测试其动态特性； （3）只关心某些特定的输入输出变量。39谢谢观赏2019-5-24广义对象的描述控制器GC (s)控制通道GP 1 (s)偏差 e+_扰动

13、 D干扰通道GD 1 (s)+广义对象ysp(t)ym (t)u(t)1spppK eGT s可用一阶加纯滞后模型来描述广义对象：40谢谢观赏2019-5-24过程增益的计算(2025)T/hr(12 10)mAT/hr2.5mAfinalinitpfinalinityyKuu 1spppK eGT s41谢谢观赏2019-5-2405101520253035404550253035404550556065Time, minTemperatureInlet Temp.Outlet Temp.speepest slope 过程增益计算举例 #1(4530) Cent(6050) CentCent

14、 outlet temp.1.5Cent inlet temp.finalinitialfinalinitialOutputKInputOOII42谢谢观赏2019-5-24过程增益计算举例 #2051015202530354045502530354045T/hrInlet Flow0510152025303540455046810Time, minmeterLiquid LevelHQiQoA(95)(4030)/0.4/finalinitialfinalinitialOutputKInputOOIImeterT hrmeterT hr43谢谢观赏2019-5-24过程增益计算举例 #3(4

15、9)(6040) %0.25%finalinitialfinalinitialOutputKInputOOIImetermeter 051015202530354045503040506070%Valve Position0510152025303540455046810Time, minmeterLiquid Level44谢谢观赏2019-5-24过程增益备注n过程增益描述了稳态条件下，过程输出对输入变量变化的灵敏度。n被控过程增益包括三部分：符号、数值符号、数值与单位与单位。n过程增益只涉及两个稳态，因此说过程增益反映了被控过程的静态或稳态特性。有时，也称“静态/稳态增益”。45谢谢观赏

16、2019-5-24过程的时间常数1spppK eGT sn基本定义对单容过程而言，过程一阶时间常数定义为过程输出开始变过程输出开始变化至达到全部变化至达到全部变化的化的63.2%所所需的时间需的时间.46谢谢观赏2019-5-24过程的时间滞后1spppK eGT sn基本定义过程纯滞后时间定义为过程输入施加过程输入施加激励至过程输激励至过程输出开始变化所出开始变化所需的时间需的时间.47谢谢观赏2019-5-24关于过程特性参数 K, T,n这三个参数的取值描述了一个实际被控过程的基本特性，其中 K 反映静态特性，而T、 反映了过程的动态特性。 n由于绝大多数工业过程为非线性对象，即使对于同

17、一被控过程，上述参数也将随工况的变化而变化。n对象两时间参数的比值（/ T）直接关系到控制系统的可控性。/ T越大，控制难度越大。48谢谢观赏2019-5-24被控对象动态建模方法n机理建模原理原理：根据过程的工艺机理，写出各种有关的平衡方程，如物料平衡、能量平衡等，以及反映流体流动、传热、传质等基本规律的运动方程，由此获得被控对象的动态数学模型。特点特点：概念明确、适用范围宽，要求对该过程机理明确。n测试建模原理原理：对过程的输入（包括控制变量与扰动变量）施加一定形式的激励信号，如阶跃、脉冲信号等，同时记录相关的输入输出数据，再对这些数据进行处理，由此获得对象的动态模型。特点特点：无需深入了

18、解过程机理，但适用范围小，模型准确性有限。49谢谢观赏2019-5-24对象特性的阶跃响应测试法n借助于阶跃响应试验，获取过程输入输出动态响应数据。(1) 将控制器改为“手动”操作模式；(2) 以阶跃方式，改变控制器输出；(3) 记录控制器输出与变送器输出响应数据。n基于过程测试数据，估计广义对象的特性参数 50谢谢观赏2019-5-24阶跃响应测试法1tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T3T1T2TpseTsKsusy1)()(n 对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为： 1010Kyyuu51谢谢观赏2019-5-24阶跃响应测试法20.6320PtTT0.6320.2831.5

19、PTtt52谢谢观赏2019-5-24广义对象矩形脉冲响应测试法( )1( )2( )u tu tut( )1( )2( )y ty tyt2( )1()yty t 是矩形脉冲的宽度53谢谢观赏2019-5-24结 论n介绍了简单被控过程的机理建模方法与线性化问题；n讨论了调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；n讲述了“广义对象”的概念及其动态特性的典型测试方法。54谢谢观赏2019-5-24 下一讲预习讨论题n反馈控制器正反作用的定义是什么？针对具体对象，如何选择控制器正反作用？n如何评价一个控制系统的品质？n描述P, PI 与 PID控制器的输入输出关系n对于常见的被控过程，为什么采用P控制器会产生余差而采用PI控制器能消除余差？n为什么PID控制器中的微分作用在实际过程中使用的不多？ n数字PID的描述nPID参数整定方法55谢谢观赏2019-5-24