-过程动态特性分析-过程控制工程教案教学课件.ppt

1、过程动态特性建模与分析过程动态特性建模与分析概要n控制系统的组成n单回路控制系统的描述n简单被控过程的机理建模方法n调节阀的选择原则n广义对象的概念及其动态测试控制系统的基本组成过程末端执行器传感器控制器输入输出期望值液位控制反馈控制LChhspQiQo液位控制系统的方块图问题：指出每一条连接线所对应的变量信号的物理意义与单位，以及每一个方块所表示的意义？液位控制器设定值hsp偏差e(t)+_测量值hm(t)干扰通道+液位传感测量变送器出水控制阀被控变量h(t)控制信号u(t)操纵变量Qo(t)控制通道扰动Qi(t)液体贮罐LChhspQiQo一般的单回路控制系统被控变量被控变量：温度(T)、

2、压力(P)、流量(F)、液位或料位(L)、成分与物性等六大参数。控制器Gc(s)执行器Gv(s)控制通道Gp(s)测量变送Gm(s)设定值ysp偏差 e+_控制变量u操纵变量q被控变量y测量值ym扰动 D干扰通道GD(s)+被控对象方块图的注意事项正确的画法不正确的画法课堂练习温度控制器设定值Tsp偏差e(t)+_测量值Tm(t)干扰通道+温度测量变送器蒸汽控制阀被控变量T(t)控制信号u(t)蒸汽量RV(t)控制通道扰动RF(t),Ti(t)热交换器TC蒸汽凝液进料TspTmTRVRF,Tiu(t)问题：画出热交换器温度控制系统的方块图。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

3、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。机理建模的步骤n根据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。对象机理建模举例#1（p.28）

4、000000,ioiiioooQQhhhQQQQQQ HQiQoAiodhAQQdtoQk hn 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 对象机理建模举例#1(续)线性化：000002oooh hodQkQk hQhhQhdhh02iid hkhAQhQdtRh ()()1iH sRQ sRAsiood hAQQdtQk h 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T#1举例的simulink仿真()()1iH sRQ sRAs无振荡的自衡过程()()finalinitialfinali

5、nitialOutput centKInput centOOcentIIcentK反映了输出变化的幅度#1举例的simulink仿真（续）()()1iH sRQ sRAs时间常数T反映了输出变化的快慢工程中常见的一阶对象对象机理建模举例#2121121,iodHdHAQQAQQdtdt11122,oQkHQkH1111221122(),()1()1()11iiH sRQ sAR sHsRQ sAR 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：#2举例的simulink仿真无振荡的自衡过程高阶过程010203040504550556065Ti(t)0102030405

6、04550556065T1(t)010203040504550556065T2(t)010203040504550556065T5(t)Time,min()()1sO sKeI sTs1()()(1)niiO sKI sTs12()()(1)(1)sO sKeI sTsT s工程上常见的二阶过程机理建模举例#30QQdtdhAi物料平衡方程：()()()ioQ sQ sH sAsAs无振荡的非自衡过程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，除流量对象外的被调量的变化相对缓慢

7、；n被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。SimuLink的使用介绍的使用介绍n熟悉与掌握系统所提供的SimuLink常用模块，如输入信号、输出显示、传递函数模块、常用数学函数等；n掌握SimuLink运行数据与Matlab数据平台的联结，以及Matlab常用的作图方法；n掌握子系统的封装技术；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；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。执行机构电气转换器阀体管路系统u(t)pclfq执行机构阀体.pc阀门的阀门的“气开气开”与与“气关气关”

8、1.气开阀与气关阀气开阀与气关阀 *气开阀：pc 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.气开阀与气关阀的选择原则气开阀与气关阀的选择原则 *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。调节阀的气开气关选择出料进料冷却剂TCTC进料出料燃料TTmTspRfu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：通过控制阀的流量和阀门开度之间的函数关系。

9、()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）：fKdldff调节阀的工作流量特性分析调节阀的工作流量特性分析阀阻比阀阻比 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（续）调节阀工作流量特性（续）100806040200204060801003.3q 100l 100S100=10.750.500.20100806040200204060801003.3q 100l 100S100=10.800.500.20线性阀的特

10、性变异对数阀的特性变异LlQQKv/max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，当开度达到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。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：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。“广义对象”

11、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。广义对象的描述控制器GC(s)控制通道GP 1(s)偏差 e+_扰动 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：过程增益的计算(2025)T/hr(12 10)mAT/hr2.5mAfinalinitpfinalini

12、tyyKuu 1spppK eGT s过程的时间常数1spppK eGT s过程的时间滞后1spppK eGT s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：1010Kyyuu阶跃响应测试法2010203040504550556065%Controller Output01020304050148150152154156158160time,minCentHeat Exchanger Outlet Temp.63.2%28.3%T0 T1 T2 0.6320PtTT0.6320.2831.5

13、PTtt广义对象矩形脉冲响应测试法结 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。习题1.p.37,习题3-4，2.p.38,习题3-8。仿真练习n阅读matlab帮助中Simulink部分有关“Creating Masked Subsystems”的内容，并按照其中的说明构造自己专用的传递函数模块，该模块具有初始的输入和输出，并包含纯滞后环节。n对自己的传递函数模块进行阶跃响应测试，并用plot命令画出阶跃输入和响应输出曲线（标明曲线的横、纵坐标，名称）。并对曲线的线形、颜色、粗细、座标等进行修改。