1、2023-2-15课件1过程动态特性建模与分析过程动态特性建模与分析（Process Characteristics）戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所2023-2-15课件2上一讲内容回顾n控制系统的设计目的n单回路控制系统的组成、方块图描述法及方块图中线与方框图的物理意义n过程控制中的常用术语（中英文）n控制系统的主要分类与设计过程2023-2-15课件3复习题PCPP1P2PspPmuKv1Kv2F1F2对于如图所示的压力控制系统，假设贮罐温度不变，主要干扰为P1、P2。试指出该系统中的被控变量、操纵变量、扰动变量与被控对象，并画出该系统的方块图。2023-2-15课件4本讲基本要求n了
2、解典型工业过程的动态特性类型；n掌握简单被控过程的机理建模方法；n掌握调节阀“气开、气关”形式与流量特性的选择原则；n掌握“广义对象”概念及其动态特性的典型测试方法。2023-2-15课件5单回路控制系统组成控制器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2023-2-15课件6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：
3、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。2023-2-15课件7对象机理建模举例#1（p.28）HQiQoAoiQQdtdHAHkQoHkQdtdHAin 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：讨论问题讨论问题：（1）线性化的意义？如何线性化？（2）如何用Matlab 或 SimuLink 表示该过程？（参见SimulationProce
4、ssModel LevelProcess01.mdl）2023-2-15课件8对象机理建模举例#22122111,QQdtdHAQQdtdHAi222111,HkQHkQ2211221111,HkHkdtdHAHkQdtdHAin 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：仿真参见 ProcessModel LevelProcess02.mdlH1QiQ1A1H2Q2A2问题问题：状态方程？线性化？2023-2-15课件9机理建模举例#3：非自衡过程非自衡过程ALCQ0Qi0QQdtdhAi物料平衡方程：tt0Q(t)h(t)QoQi2023-2-15课件10气动调节阀的结构气动
5、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.pc2023-2-15课件11阀门的阀门的“气开气开”与与“气气关关”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
6、选择气关阀，如加热炉进风蝶阀。2023-2-15课件12调节阀的结构特性调节阀的结构特性100806040200204060801003.3f 100l 1001243调节阀结构特性调节阀结构特性：阀芯与阀座间的节流面积和阀门开度之间的函数关系。)(lff 为相对节流面积；l 为相对开度：n 线性阀线性阀（线1）：fKdldfn 等百分比阀或称对数阀等百分比阀或称对数阀（线2）：fKdldff2023-2-15课件13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10010010010011pppppSeepSepppSpep
7、0Qp2023-2-15课件14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线性阀的特性变异对数阀的特性变异2023-2-15课件15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
8、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。2023-2-15课件16调节阀流量特性的选择原则调节阀流量特性的选择原则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。TC蒸汽凝液FV,HVF,cp,T2F,T1热平衡方程：FFcHdFdTKTTFcHFQpvvppvvh1)(212Kp：控制通道增益2023-2-15课件17“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(
9、t)q(t)扰动D(t)干扰通道GD(s)+广义对象y(t)ym(t)2023-2-15课件18“广义对象”的特点特点：（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。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)2023-2-15课件19“广义对象”动态特性的阶跃响应测试法*tt0u(t)y(t)y0y1u0u1T0T3T1T2Tp典型自衡工业对象的阶跃响应seTsKsusy1)()(n 对象的近似模型：对应参数见左图，而增益为：minm
10、ax01minmax01uuuuyyyyKymin,ymax为CV的测量范围；umin,umax为MV的变化范围，对于阀位开度通常用0100%表示。2023-2-15课件20“广义对象”动态特性的矩形脉冲响应测试法SISO 对象模型构造与动态响应仿真参见 ProcessModelOpenLoopResp.mdl2023-2-15课件21过程控制广义对象动态特性分类n自衡过程（Self-Regulating Processes）(1)无振荡的自衡过程(2)有振荡的自衡过程n非自衡过程（Non-Self-Regulating Processes）(1)无振荡的非自衡过程(2)有振荡的非自衡过程(3
11、)具有反向特性的非自衡过程2023-2-15课件22无振荡自衡过程模型sPeTsKsG1)(sPesTsTKsG)1)(1()(21snPeTsKsG)1()(2023-2-15课件23无振荡非自衡过程模型sPeTssKsG)1()(sPeTsKsG)(2023-2-15课件24具有反向特性的非自衡过程模型sPesTssTKsG)1()1()(102023-2-15课件25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；n被控对象往往具有非线性、不确定性与时变等特性。2023-2-15课件26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；n列举了工业过程的典型动态特性类型与通道模型。2023-2-15课件27习题1.p.37,习题3-42.p.38,习题3-8（若可能，请用Matlab 作图）3.p.58,习题4-9
