1、第一节第一节 过程建模过程建模基本概念：基本概念：被控过程：被控过程：指正在运行中的多种多样的被控制的生产工艺设备2过冲控制系统的品质是由组成系统的各个环节的结构及其特性所决定。被控过程的数学模型：被控过程的数学模型：指过程在各输入量作用下，其相应输出量变化函数关系的数学表达式。过程的数学模型分类：过程的数学模型分类：1、非参数模型：阶跃响应曲线、脉冲响应曲线、频率特性曲线，即都是用曲线表示2、参数模型：微分方程、传递函数、脉冲响应函数、状态方程、差分方程等，即都是用数学方程式和函数表示2被控过程分为：被控过程分为：1、多输入、单输出、多输入、单输出2、多输入、多输出、多输入、多输出单回路控制
2、系统框图单回路控制系统框图如图如图:2过程通道：过程通道：控制通道：控制通道：扰动通道：扰动通道：被控过程输入量与输出量之间的信号联系被控过程输入量与输出量之间的信号联系控制作用与被控量之间的信号控制作用与被控量之间的信号扰动作用与被控量之间的信号联系扰动作用与被控量之间的信号联系2被控过程的特点：被控过程的特点：1、被控量的变化往往是不震荡、单调的、有滞后和惯性的。如图：如图：过程的阶跃响应曲线过程的阶跃响应曲线 a)22、有的过程响应也可能不断变化 如图：如图：过程的阶跃响应曲过程的阶跃响应曲 b)2自衡过程：自衡过程：前者过程具有自平衡能力前者过程具有自平衡能力无自衡过程：无自衡过程：后
3、者过程无自平衡能力后者过程无自平衡能力过程建模的目的过程建模的目的:1、设计过程控制系统和整定调节器参数2、指导设计生产工艺设备3、进行仿真试验研究4、培训运行操作人员2建立过程数学模型的基本方法：建立过程数学模型的基本方法：一、有机理分析法 二、试验法有机理分析法建模又称为分析发建模或理论建模，适应于简单的被控过程建模。机理建模的依据：机理建模的依据：是根据过程的内部机理，运用一些已知的定律、原理建立过程的数学模型机理分析法建模的特点：机理分析法建模的特点：当生产设备还处于设计阶段时就能建立其数学模型。2被控过程的自平衡能力和无自平衡能力被控过程的自平衡能力和无自平衡能力自平衡能力：自平衡能
4、力：过程在输入量作用下，平衡状态被破坏后，无须人或仪器的干扰，依靠过程过程在输入量作用下，平衡状态被破坏后，无须人或仪器的干扰，依靠过程自身能力，逐渐恢复达到另一新的平衡状态，此特性称为自平衡能力自身能力，逐渐恢复达到另一新的平衡状态，此特性称为自平衡能力无自平衡能力：无自平衡能力：被控过程在输入量作用下，其平衡状态被破坏后，没有人或仪器的干预，被控过程在输入量作用下，其平衡状态被破坏后，没有人或仪器的干预，依靠过程自身能力，最后不能恢复其平衡状态，此特性称为无自平衡能力。依靠过程自身能力，最后不能恢复其平衡状态，此特性称为无自平衡能力。2自衡过程建模自衡过程建模1、单容过程：、单容过程：自衡
5、单容过程是指只有一个储蓄容量的又具有平衡能力的过程2222、多容过程：、多容过程：在工业生产过程中，被控过程往往由多个容积和阻力构成 222222、滞后过程：、滞后过程：在工业生产过程中，过程的纯滞后问题是经常遇到的。2222、非自衡过程建模、非自衡过程建模单容过程单容过程 22多容过程多容过程 22滞后过程滞后过程 23、试验法建模（过程辨识）、试验法建模（过程辨识）实验法建模：实验法建模：是在实际的生产过程中，根据过程输入、输出的实验数据，即通过过程辨识与参数估计的方法建立被控过程的数学模型。实验法分类：实验法分类：加专门信号、不加专门信号。加专门信号：加专门信号：是在试验过程中改变所研究
6、的过程输入量，对其输出量进行数据处理就可以求得过程的数学模型。不加专门信号：不加专门信号：即利用过程在正常操作时所记录的信号，进行统计分析来求得过程的数学模型。22常用的响应曲线法来辨识过程的数学模型常用的响应曲线法来辨识过程的数学模型一、阶跃响应应曲线法一、阶跃响应应曲线法阶跃响应应曲线法：测定阶跃响应应曲线的原理很简单，在被控过程的输入阶跃响应应曲线法：测定阶跃响应应曲线的原理很简单，在被控过程的输入量作阶跃变化时，测定其输出量随时间而变化的曲线量作阶跃变化时，测定其输出量随时间而变化的曲线试验注意事项：试验注意事项：1、合理选择阶跃信号值；2、在输入信号前，被控过程必须处于相对稳定的运行
7、状态；3、试验时应在相同的试验条件下重复做几次测试，需获得两次以上比较 接近的测试数据，以减少干扰的影响；4、在试验时应在阶跃信号做正、反方向变化时分别侧取其响应曲线，求 其过程的真实特性。2响应曲线响应曲线2二、矩形脉冲响应曲线法二、矩形脉冲响应曲线法矩形脉冲响应曲线法：当过程长时间处于较大扰动信号作用下时，被控量的变化幅度可能超出实际生产所允许的范围，它的过渡过程与终值均偏离正常操作条件，会影响产品的质量和产量，这时就可以用矩形脉冲信号作为过程的输入信号，测出过程的矩形脉冲响应曲线。2矩形脉冲响应曲线及其转换矩形脉冲响应曲线及其转换2矩形脉冲响应曲线转换成阶跃响应曲线方法：矩形脉冲响应曲线
8、转换成阶跃响应曲线方法：2三、由阶跃响应曲线确定过程的传递函数三、由阶跃响应曲线确定过程的传递函数由阶跃响应曲线确定过程的数学模型，首先要根据曲线的形状，选定模型的结构。只要能由阶跃响应曲线求得放大系数K0、时间常熟T0、以及滞后时间，则过程的数学模型就可以求得了。21、由阶跃响应曲线确定一阶环节的特性参数、由阶跃响应曲线确定一阶环节的特性参数 22222、由阶跃响应曲线确定一阶加滞后环节的特性参数、由阶跃响应曲线确定一阶加滞后环节的特性参数 222222222222四、最小二乘法建模四、最小二乘法建模最小二乘法：是介绍一种过程离散时间模型的建模方法；即根据过程的输入、输出实验数据来推算出结构
9、模型中的参数值，它是其中简单而实用的方法之一。过程建模或者系统建模的任务：1、是确定模型的结构2、是确定模型结构中的参数值2最小二乘法的目标：在获得过程或系统的输入、输出数据后，求得最佳的参数值，以使系统方程在最小方差意义上与输入输出数据相符合，采用实际观察值代表模型的输出。一、最小二乘法参数估计原理一、最小二乘法参数估计原理2222二、过程数学模型阶次二、过程数学模型阶次n的确定的确定拟合度检验法：确定拟合度检验法是一种应用较多的以模型合质量来估计其阶次的方法；这种方法是通过比较不同阶次的模型输出与观察输出的拟合质量好坏来确定模型阶次的。2具体做法：先依次设定模型的阶次n=1，2，3，.，在计算不同阶次时的最小二乘参数估计值 及其相应的损失函数 J J，然后比较相邻的不同阶次n的模型与观察数据之间拟合程度的好坏来确定模型的阶次。2三、过程纯滞后时间三、过程纯滞后时间 的确定的确定
